特許 6303323 光学装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6303323

(24)【登録日】2018年3月16日

(45)【発行日】2018年4月4日

(54)【発明の名称】光学装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/12 20060101AFI20180326BHJP

   G02B 6/125 20060101ALI20180326BHJP

   G02B 6/32 20060101ALI20180326BHJP

   G02B 6/34 20060101ALI20180326BHJP

【ＦＩ】

   G02B6/12 301

   G02B6/125 301

   G02B6/32

   G02B6/34

【請求項の数】3

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2013-166940(P2013-166940)

(22)【出願日】2013年8月9日

(65)【公開番号】特開2015-34947(P2015-34947A)

(43)【公開日】2015年2月19日

【審査請求日】2016年4月1日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100079049

【弁理士】

【氏名又は名称】中島 淳

(74)【代理人】

【識別番号】100084995

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 和詳

(72)【発明者】

【氏名】井上 大介

(72)【発明者】

【氏名】山下 達弥

(72)【発明者】

【氏名】市川 正

(72)【発明者】

【氏名】豊田 千恵

(72)【発明者】

【氏名】松原 弘幸

【審査官】 奥村 政人

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０８−３１５４０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−０８９６３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−００７２３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−２６０９２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０１−２１２３８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−１５７５６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１９５８０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第５６５７４０７（ＵＳ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／１１４６６５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１１−１５０２８７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ６／１２− ６／１４

Ｇ０２Ｂ ６／２６− ６／２７

Ｇ０２Ｂ ６／３０− ６／３４

Ｇ０２Ｂ ６／４２− ６／４３

Ｇ０１Ｂ １１／００−１１／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

入射した光を集光点に向けて進む光線として出射し集光する集光手段と、
各々前記集光手段の異なる部分を通過した２つの前記光線の光路を前記集光点とは異なる２つの予め定められた位置へ向かう２つの光路に各々変換する２つの光路変換手段と、 前記２つの光路に沿う光線を導波する光導波手段の内部に形成されかつ各々前記２つの予め定められた位置に配置された第１の端面および第２の端面を有する２つの光導波路、前記２つの光導波路の一方の前記第２の端面に光結合された発光素子、および前記２つの光導波路の他方の前記第２の端面に光結合された受光素子を含む光学部材と、を含み、
前記２つの光路変換手段は、前記集光手段から出射した２つの光線の各々に対して交差する方向に互いに逆向きの角度で形成され、かつ入射した光線を２つに分離して前記２つの光導波路の各々に光結合させる前記光導波手段の２つの端面である
光学装置。

【請求項2】

前記集光手段と前記光導波手段とが一体的に形成されている
請求項１に記載の光学装置。

【請求項3】

複数の請求項１または請求項２に記載の光学装置と、
前記複数の光学装置の複数の前記発光素子および複数の前記受光素子の少なくとも一方を駆動する駆動手段と、
を備えた光走査装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光学装置、特に同軸光学系を有する光学装置に関する。

【背景技術】

【0002】

同軸光学系とは、焦点を共有する複数の光路が配置された光学系をいい、たとえば、単一のレンズで焦点を共有した複数の光路（たとえば、フォトリフレクタ等の投光・受光デバイスにおける、投光部側光路と受光部側光路）を有するような光学系をいう。

【0003】

単一のレンズで焦点を共有した複数の光路を有するような光学系の例として、特許文献１には、２つの半導体レーザから出射したレーザ光を、一方のレーザ光は反射させ他方のレーザ光は透過させる合成ミラーにより合成して同一の光路上の合成光とし、単一のレンズで集光させる光学系が開示されている。

【0004】

また、単一レンズによる複数の光路を有する光学系の例として、特許文献２には、複数の光導波路と、該光導波路と同数の光ファイバとをレンズを介して光結合させる光学系が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平１０−１１５７９２号公報

【特許文献2】特開平１１−２５８４５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１に開示された光学系では、透過側の光軸調整と反射側の光軸調整との２つの光軸調整が必要であり、光軸調整が煩雑となり、調整工数、調整コストも増加してしまうという問題がある。

【0007】

また、特許文献２に開示された光学系は、光導波路と光ファイバとを１：１で結合させるものであり、焦点を共有するという考え方はない。したがって、特許文献２は、同軸光学系、つまり、光導波路と光ファイバとを、たとえば１：Ｎで結合させる光学系について開示するものではない。

【0008】

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、光軸調整がより容易な同軸光学系を実現することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的を達成するために、請求項１に記載の光学装置は、入射した光を集光点に向けて進む光線として出射し集光する集光手段と、各々前記集光手段の異なる部分を通過した２つの前記光線の光路を前記集光点とは異なる２つの予め定められた位置へ向かう２つの光路に各々変換する２つの光路変換手段と、前記２つの光路に沿う光線を導波する光導波手段の内部に形成されかつ各々前記２つの予め定められた位置に配置された第１の端面および第２の端面を有する２つの光導波路、前記２つの光導波路の一方の前記第２の端面に光結合された発光素子、および前記２つの光導波路の他方の前記第２の端面に光結合された受光素子を含む光学部材と、を含み、前記２つの光路変換手段は、前記集光手段から出射した２つの光線の各々に対して交差する方向に互いに逆向きの角度で形成され、かつ入射した光線を２つに分離して前記２つの光導波路の各々に光結合させる前記光導波手段の２つの端面であるものである。

【0013】

また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記集光手段と前記光導波手段とが一体的に形成されているものである。

【0016】

さらに、上記目的を達成するために、請求項３に記載の光走査装置は、複数の請求項１または請求項２に記載の光学装置と、前記複数の光学装置の複数の前記発光素子および複数の前記受光素子の少なくとも一方を駆動する駆動手段と、を備えたものである。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、光軸調整がより容易な同軸光学系を実現することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】第１の実施の形態に係る投光・受光デバイスの構成の一例を示す平面図、および斜視図である。

【図2】第１の実施の形態に係る投光・受光デバイスの光導波路の構成の一例を示す断面図である。

【図3】第１の実施の形態に係る投光・受光デバイスの作用を説明するための図である。

【図4】第１の実施の形態に係る光屈折部のファセット角の算出を説明するための図である。

【図5】実施の形態に係る光集積回路の製造工程の一例を説明するための縦断面図である。

【図6】第２の実施の形態に係る投光・受光アレイデバイスの構成の一例を示す側面図である。

【図7】第２の実施の形態に係る投光・受光アレイデバイスの作用を説明するための図である。

【図8】第３の実施の形態に係る投光・受光アレイデバイスの構成の一例を示す側面図、レンズの平面図および側面図である。

【図9】第４の実施の形態に係る投光・受光デバイスの構成の一例を示す側面図である。

【図10】第５の実施の形態に係る投光・受光デバイスの構成の一例を示す平面図および断面図である。

【図11】第５の実施の形態に係る投光・受光デバイスのテーパを示す斜視図である。

【図12】第６の実施の形態に係る投光・受光アレイデバイスの構成の一例を示す平面図および断面図である。

【図13】第７の実施の形態に係る投光・受光アレイデバイスの構成の一例を示す斜視図および断面図である。

【図14】第８の実施の形態に係る投光・受光デバイスの構成の一例を示す側面図およびコーンミラーの平面図である。

【図15】第８の実施の形態に係る投光・受光デバイスの構成の一例を示す平面図および断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。以下の実施の形態では、本発明を、１対または複数対の投光部・受光部を有し、たとえば、物体との間の距離を測定する測距装置等に用いる投光・受光デバイスを例示して説明する。

【0020】

［第１の実施の形態］
図１（ａ）および（ｂ）を参照して、本実施の形態に係る投光・受光デバイス１０の構成について説明する。

【0021】

図１に示すように、投光・受光デバイス１０は、光集積回路１２、発光素子２４、受光素子２６、レンズ１８、および迷光防止部材３２を含んで構成されている。

【0022】

光集積回路１２は、発光素子２４および受光素子２６を搭載する基板としての機能、およびレンズ１８と発光素子２４および受光素子２６との間の光の導波路としての機能を有する。

【0023】

光集積回路１２の内部にはコア２０Ａ、２０Ｂ（以下、総称する場合は「コア２０」と称する場合がある。）が形成されており、また、レンズ１８と対向する側の端面には、光集積回路の一部が斜めにカットされて形成された光路変換部としての光屈折部１４Ａ、１４Ｂを有する。

【0024】

コア２０は、周囲の光集積回路の部分（以下、「光集積回路本体」と称する場合がある。）よりも屈折率が大きくされており、該コア２０と相対的に屈折率の低いクラッドとしての光集積回路本体部分とで光導波路を構成している。

【0025】

発光素子２４は光集積回路１２に設けられた開孔部３４Ａに搭載され、コア２０Ａの端面と光結合されている。また、受光素子２６は光集積回路１２に設けられた開孔部３４Ｂに搭載され、コア２０Ｂの端面と光結合されている。

【0026】

図２を参照して、上記光導波路についてさらに説明する。図２は、図１（ａ）におけるＡ−Ａ’線に沿って切断した断面図を示している。図２に示すように、コア２０Ｂとその周囲を取り囲んで形成されたクラッド３０（光集積回路本体の一部）により光導波路７０が形成されている。

【0027】

図２に示すコア２０およびクラッド３０の材料に関しては特に制限はないが、本実施の形態に係る光集積回路１２では、コア２０をシリコン（Ｓｉ）を用いて形成し、クラッド３０を二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を用いて形成している。コア２０は、たとえば、シリコン細線であってもよい。

【0028】

発光素子２４としては、一例として、チップ形態のレーザダイオード、あるいは発光ダイオード等を用いることができ、また、受光素子２６としては、一例として、チップ形態のフォトダイオード等を用いることができる。

【0029】

迷光防止部材３２は、光集積回路１２から出射する発光素子２４からの光と、光集積回路１２に入射する受光素子２６への光とのクロストークを防ぐための部材であり、たとえば、適宜な形状の黒色のフィルムを、レンズ１８の中央部分に貼ることにより構成してもよい。
ただし、本迷光防止部材３２は必須のものではなく、投光部側、受光部側の分離を特に厳密に行いたい場合などに採用すればよい。

【0030】

なお、図１（ａ）に示すｘｙｚ座標軸は、レンズ１８の中心の光軸ＣＡに沿う方向をｘ軸にとり、紙面に平行な面内でｘ軸と直行する方向にｙ軸をとり、当該ｘ軸−ｙ軸に対して、右手系でｚ軸をとっている。

【0031】

つぎに、図１（ａ）を参照して、本実施の形態に係る投光・受光デバイス１０の作用について説明する。

【0032】

まず、投光・受光デバイス１０から出射する光の光路、つまり、発光素子２４側の光路は以下のようになる。すなわち、発光素子２４より出射した光はコア２０Ａと結合されて伝搬し、光集積回路１２のバルク部ＢＧを直進して光屈折部１４Ａに達し、光屈折部１４Ａで屈折される。光屈折部１４Ａで屈折された光はレンズ１８に到達した後、平行光としてレンズ１８から出射する。

【0033】

ここで、バルク部ＢＧとは、光に対して透明な材料で形成された光集積回路１２のコア２０が形成されていない領域（つまり、光集積回路本体の領域）であり、バルク部ＢＧにおいて光はバルク伝搬（図１（ａ）の紙面垂直方向には閉じ込められるが、紙面水平方向には制約のないモードの光伝搬）する。

【0034】

図中の仮想焦点Ｆは、光集積回路１２が存在しないとした場合に、レンズ１８が焦点を結ぶ位置を示しており、本実施の形態に係る投光・受光デバイス１０では、この仮想焦点Ｆを、光の進行方向においてコア２０の端面の位置に等しい位置または略等しい位置としている。また、図中の仮想光線ＤＡおよびＤＢは、レンズから仮想焦点Ｆに向かう光線の光路を示している。
つまり、発光素子２４から出射した光は、光屈折部１４Ａで光路を変換された後、仮想焦点Ｆからレンズに向かう仮想光線ＤＡに沿って進む。

【0035】

一方、投光・受光デバイス１０へ入射する光、つまり、受光素子２６側の光路はつぎのようになる。すなわち、レンズに平行光として入射した光はレンズを通過した後、仮想焦点Ｆに向かう光路、つまり仮想光線ＤＢに沿ってみ、光屈折部１４Ｂに到達する。光屈折部１４Ｂで光路を変換された光はバルク部ＢＧを直進してコア２０Ｂと結合し、コア２０Ｂを伝搬して受光素子２６へと導かれる。

【0036】

図３は、上記の作用を等価的な光学系に置き換えて説明するための図である。
図３（ａ）に示すように、投光・受光デバイス１０におけるレンズ１８は、発光素子２４側、受光素子２６側の光線に各々対応して、紙面上下方向に各々半面の２つの仮想レンズ１８Ａ、１８Ｂに分けて考えることができる。

【0037】

このように考えた場合、図３（ｂ）に示すように、仮想レンズ１８Ａは、コア２０Ａから出射された光を投光・受光デバイス１０の外部に放射し、仮想レンズ１８Ｂは、投光・受光デバイス１０の外部から入射した光をコア２０Ｂに入射させるように作用する。つまり、投光・受光デバイス１０は、投光側の光軸と受光側の光軸とが一致している完全同軸光学系に対して、投光側の光軸と受光側の光軸とが分離している擬似同軸光学系を構成している。

【0038】

以上の説明で明らかなように、本実施の形態に係る投光・受光デバイス１０では、仮想光線ＤＡ，ＤＢの光路を途中の光屈折部１４Ａ、１４Ｂで曲げることにより、本来であれば仮想焦点Ｆに集束する光線を２つに分離した上でコア２０Ａ、２０Ｂと光結合させている。そのため、単一のレンズ１８を用いながらも２つのコア２０Ａ、２０Ｂと光結合させることが可能となる。本実施の形態に係るこのような構成によれば、レンズ１８の位置を固定すれば、発光素子２４、受光素子２６に対する光軸が決定するので、１回のアライメントで２つの光軸調整を行うことができる。

【0039】

つぎに、図４を参照して、光屈折部１４の傾斜角（ファセット角θ_Ｆ）の求め方について説明する。図４は、コア２０および光集積回路１２と、レンズ１８からの光線Ｌ（光線Ｌのうち空気側の光線をＬ_ａ、光集積回路１２側の光線をＬ_ｒとする。）との関係を示しており、光集積回路１２の外側は空気である。図４に示すｘ軸、ｙ軸の定義は、図１（ａ）におけるｘ軸、ｙ軸の定義と同様である。

【0040】

ファセット角θ_Ｆはｙ軸と光屈折部１４の端面とのなす角度で定義される角度である。
ここで、図４（ａ）に示すように、光集積回路１２の光集積回路本体（バルク部ＢＧ）の屈折率をｎ_ｒ、空気の屈折率をｎ_ａとし、光線Ｌ_ａとｘ軸とのなす角度をθ_１、コア２０の中心軸とｘ軸とのなす角度（すなわち、光線Ｌ_ｒとｘ軸とのなす角度）をθ_２とする。
この場合、光屈折部１４の端面の法線ｌ_ｈに対する角度は図４（ｂ）に示すような関係となるから、スネルの法則より、下記式（１）が成立する。

【0041】

【数1】

【0042】

したがって、光集積回路１２の本体の材料（屈折率）と、光線Ｌ_ａとｘ軸とのなす角度をθ_１と、コア２０の中心軸とｘ軸とのなす角度θ_２が与えられた場合に、式（１）を満たすθ_Ｆを算出することにより、ファセット角θ_Ｆを求めることができる。

【0043】

なお、上記式（１）の特別な場合として、θ_２＝０、すなわち、コア２０の中心軸をｘ軸に平行とし、空気の屈折率ｎ_ａ＝１を代入した場合には、上記式（１）は、下記式（２）のように変形される。

【数2】

【0044】

一例として、ｎ_ｒ＝１．４７１（ＳｉＯ_２の屈折率）、θ_１＝２０°を上記式（２）に代入すると、θ_Ｆは約３３°となる。

【0045】

つぎに、図５を参照して、本実施の形態に係る投光・受光デバイス１０における光集積回路１２の製造方法について説明する。

【0046】

光集積回路１２は、一例として、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いた製造プロセスにより製造することができる。図５は、該ＳＯＩ基板を用いた、本実施の形態に係る投光・受光デバイス１０における光導波路７０を含む光集積回路１２の製造方法を示している。なお、図５に示す製造方法は、たとえば発光素子２４あるいは受光素子２６の駆動用電源を接続するための電極、および後述する回折格子の形成方法を含む製造方法である。

【0047】

図５（ａ）に示すように、まず、Ｓｉ（シリコン）基板８０上に形成されたＳｉＯ_２（二酸化ケイ素）層８２と、該ＳｉＯ_２層８２上に形成された厚さ０．２μｍ程度のＳｉ層８４とを有するＳＯＩ基板７４を準備する。
つぎに、図５（ｂ）に示すように、ＳＯＩ基板７４のＳｉ層８４上にレジストを塗布した後露光して、Ｓｉ層８４を、たとえばコア２０にパターニングするためのレジストパターン８６を形成する。

【0048】

つぎに、図５（ｃ）に示すように、上記レジストパターン８６をマスクとし、ＳＦ_６およびＯ_２の混合ガス等を用いた反応性イオンエッチング等により、Ｓｉ層８４を所望の形状（たとえば、コア２０の形状）にパターニングする。
つぎに、図５（ｄ）に示すように、酸素プラズマを用いた反応性イオンエッチング等により、不要なレジストを剥離する。

【0049】

つぎに、図５（ｅ）に示すように、Ｓｉ層８４の一部をＮ型Ｓｉ（Ｎ型層９０）に変えるべく、レジストを塗布した後露光して、Ｎ型Ｓｉに変える部分以外のＳｉ層８４上にレジストパターン８８を形成する。
つぎに、図５（ｆ）に示すように、上記レジストパターン８８をマスクとし、イオン注入等によってＡｓ（ヒ素）等を打ち込み、Ｎ型層９０を形成する。

【0050】

つぎに、図５(ｇ）に示すように、酸素プラズマを用いた反応性イオンエッチング等により不要なレジストを剥離した後、熱処理することでアニーリングし、シリコン結晶の欠陥を修復する。

【0051】

つぎに、図５（ｈ）に示すように、Ｓｉ層８４の回折格子を形成する部分にレジストを塗布した後露光して、レジストパターン９２を形成する。
つぎに、図５（ｉ）に示すように、レジストパターン９２をマスクとして、反応性イオンエッチング等により開孔９４を形成する。その後、不要なレジストを反応性イオンエッチング等により剥離する。該開孔９４が回折格子の一部となる。

【0052】

つぎに、図５（ｊ）に示すように、プラズマ化学気相成長などによりＳｉＯ_２膜９６を堆積させる。この後、Ｂ（ボロン）やＰ（リン）を添加して軟化加熱しＳｉＯ_２膜９６を平坦化させる方法、あるいは化学研磨による方法でＳｉＯ_２膜９６を平坦化させてもよい。

【0053】

つぎに、ＳｉＯ_２膜上にレジストを塗布して露光し、ドーピングの必要がない部分を覆うレジストパターン７６を形成した後、図５（ｋ）に示すように、ＣＦ_４プラズマラを用いた反応性イオンエッチング等により、ＳｉＯ_２膜を削ってコンタクトホール９８を形成する。その後、酸素プラズマを用いた反応性イオンエッチング等により、不要なレジストを剥離する。

【0054】

つぎに、図５（ｌ）に示すように、スパッタリング等によりＳｉＯ_２膜９６上に金属薄膜（たとえば、Ａｌ（アルミニウム）膜）を成膜する。その後、該金属薄膜上にレジストを塗布した後露光し、電極として残したい部分をレジストパターンで覆う。その後、Ｃｌプラズマを用いたドライエッチング等により電極７８を形成する。
不純物残渣は、Ａｌドライエッチング残渣除去液等により除去してもよい。

【0055】

つぎに、光集積回路の端面をドライエッチング等によりエッチングして傾斜端面を形成し、光屈折部とする。

【0056】

以上の製造工程により、回折格子、電極等を含む光集積回路を製造することができる。
なお、上述した光集積回路の製造方法は、以下に説明する光集積回路の製造方法にも同様に適用可能である。

【0057】

ここで、本実施の形態に係る光集積回路１２の製造方法は、上記ＳＯＩ基板を用いた製造方法に限られない。たとえば、光屈折部１４も含めて、透光性樹脂を材料とした射出成型による一体成型で製造してもよい。

【0058】

また、上記実施の形態では、レンズ１８を光集積回路１２と分離した形態を例示して説明したが、これに限られず、たとえば、光集積回路１２の本体を構成する材料（上記各実施の形態では、ＳｉＯ_２あるいは透光性樹脂）にレンズ１８を作り込み、レンズ１８も含めた形態の光集積回路１２としてもよい。

【0059】

以上の説明で明らかように、本実施の形態に係る投光・受光デバイスによれば、光軸調整がより容易な同軸光学系を実現することができる。

【0060】

［第２の実施の形態］
図６および図７を参照して、本実施の形態に係る投光・受光アレイデバイス１００について説明する。投光・受光アレイデバイス１００は、第１の実施の形態に係る投光・受光デバイス１０を複数集積してアレイ化したデバイスである。

【0061】

図６（ａ）に示すように、投光・受光アレイデバイス１００は、チャンネル１〜チャンネル３（ＣＨ１〜ＣＨ３）の３個の単体投光・受光デバイスを集積化した光集積回路４０と、単一のレンズ２８を含んで構成されている。
ＣＨ１は、光軸をＣＡ１とし、発光素子２４−１、受光素子２６−１、コア２０Ｃ、２０Ｄ、光屈折部１４Ｃ、１４Ｄを含んで構成されている。ＣＨ１は、図１（ａ）に示す投光・受光デバイス１０と基本的に同じ構成のものである。

【0062】

一方、ＣＨ２は光軸をＣＡ２とし、発光素子２４−２、受光素子２６−２、コア２０Ｅ、２０Ｆ、光屈折部１４Ｅ、１４Ｆを含んで構成されており、コア２０Ｅおよび２０Ｆは、光軸ＣＡ２に平行に配置されている。
また、ＣＨ３は光軸をＣＡ３とし、発光素子２４−３、受光素子２６−３、コア２０Ｇ、２０Ｈ、光屈折部１４Ｇ、１４Ｈを含んで構成されており、コア２０Ｇおよび２０Ｈは、光軸ＣＡ３に平行に配置されている。

【0063】

上記のような構成を有する投光・受光アレイデバイス１００では、投光部・受光部駆動回路（図示省略）によりＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３の発光素子２４および受光素子２６を各々独立に駆動することが可能なように構成されている。

【0064】

つぎに、図７を参照して、投光・受光アレイデバイス１００を応用した装置の一例である、マルチビーム走査装置について説明する。

【0065】

図７（ａ）は、ＣＨ２の発光素子２４−２を発光させ、該発光した光を投光・受光アレイデバイス１００の外部へ放射し、外部の物体（図示省略）等で反射した光を受光素子２６−２で受光する場合の光線を図示している。
図７（ｂ）は、ＣＨ１の発光素子２４−１を発光させ、該発光した光を投光・受光アレイデバイス１００の外部へ放射し、外部の物体等で反射した光を受光素子２６−１で受光する場合の光線を図示している。
図７（ｃ）は、ＣＨ３の発光素子２４−３を発光させ、該発光した光を投光・受光アレイデバイス１００の外部へ放射し、外部の物体等で反射した光を受光素子２６−３で受光する場合の光線を図示している。

【0066】

投光・受光アレイデバイス１００では、上記の各チャンネルについて、ＣＨ２→ＣＨ１→ＣＨ３と順番に発光・受光動作を行わせることにより、スキャニング動作を行わせることが可能となる。投光・受光アレイデバイス１００は、このようなスキャニング動作を行わせることにより、たとえば、外部の物体の表面形状を面で走査するマルチビーム走査装置として構成することができる。
なお、投光・受光アレイデバイス１００では、必ずしも各チャンネルを前記のように順番に発光・受光動作させる必要はなく、任意の順序で発光・受光動作させることが可能であり、たとえば、各チャンネルを同時に動作させてもよい。

【0067】

本実施の形態に係る投光・受光アレイデバイス１００を用いたマルチビーム走査装置では、たとえば、ガルバノミラーによる走査などとは異なり、可動部分を有さないマルチビーム走査装置を構成することが可能となる。したがって、簡易な構成でしかも高信頼度のマルチビーム走査装置を構成することができる。

【0068】

なお、本実施の形態に係る投光・受光アレイデバイス１００における、ＣＨ１ないしＣＨ３ごとの発光素子２４、受光素子２６の配置は図６（ａ）に限られるものではなく、任意の配置が可能であり、たとえば、図６（ｂ）のように配置してもよい。
図６（ｂ）では、ＣＨ２で受光素子２６−２の代わりに発光素子２４−３を配置して、
ＣＨ２を投光部として構成し、ＣＨ３で発光素子２４−３の代わりに受光素子２６−２を配置して、ＣＨ２を受光部として構成している。

【0069】

このように、本実施の形態に係る投光・受光アレイデバイス１００では、たとえば、投光部からの光放射パワー、受光部での受光感度等を考慮して、チャンネルごとに投光部、
受光部を任意に配置することができる。

【0070】

本実施の形態に係る投光・受光アレイデバイス１００によれば、複数の投光・受光デバイスの個々の光軸調整が、１個のレンズ２８の位置合わせを行うだけで達成されるので、
光軸調整がさらに容易なものとなる。

【0071】

なお、投光・受光アレイデバイス１００は、第１の実施の形態と同様の製造方法、すなわち、ＳＯＩ基板を用いた方法、あるいは透光性樹脂による一体成型等による製造方法で製造することができる。

【0072】

ここで、上記実施の形態では、チャンネルの数が３チャンネルの形態を例示して説明したが、これに限られず、４チャンネル以上としてもよい。また、上記実施の形態では、１次元配列を例示して説明したが、これに限られず、２次元的なマトリクス状に配置してもよい。マトリクス状に配置した場合には、たとえば、面で物体の形状等をスキャニングするレーザレーダー等の用途が考えられる。

【0073】

［第３の実施の形態］
つぎに、図８を参照して、本実施の形態に係る投光・受光アレイデバイス３５０について説明する。本実施の形態は、投光・受光デバイスを２次元的に面状に配列するとともに、光路変換部とレンズとを一体的に形成した形態である。
図８（ａ）は、投光・受光アレイデバイス３５０の側面図であり、図８（ｂ）は、投光・受光アレイデバイス３５０のレンズ３５２の平面図および側面図である。

【0074】

図８（ａ）に示すように、投光・受光アレイデバイス３５０は、光集積回路３６０、レンズ３５２、複数（本実施の形態では、図８（ｂ）に示すように、１９個）の光屈折部３５４Ａ、３５４Ｂの対（以下、総称する場合は、光屈折部３５４）、および光集積回路３６０内に埋設されたコア３５６を含んで構成されている。各コア３５６のレンズ３５２と対向する側と反対側には、発光素子または受光素子（図示省略）が配置されている。また、光屈折部３５４は、図８（ｂ）に示すように、レンズ３５２の光出射面に２次元的（面状）に形成されている。

【0075】

図８（ａ）に示すように、投光・受光アレイデバイス３５０においても、光屈折部３５４Ａおよび３５４Ｂで仮想焦点Ｆに向かう仮想光線を２つに分離しており、分離された各々の仮想光線の進行方向にコア３５６を配置している。したがって、個々のコア３５６とレンズとの間における光線の経路は、図８（ａ）に示すように、図６と同様である。

【0076】

本実施の形態に係る投光・受光アレイデバイス３５０によれば、２次元的に面状に配置された複数の投光・受光デバイスの各々に対応する光屈折部３５４とレンズ３５２とのアライメントは不要となる。光軸調整は、光屈折部３５４と光導波路のコア３５６との位置合わせで行われる。

【0077】

また、本実施の形態に係る投光・受光アレイデバイス３５０によれば、投光・受光デバイスを面状に配置しているので、たとえば、上述のマルチビーム走査装置やレーザレーダー等の用途に好適に用いることができる。

【0078】

また、先述の投光・受光デバイス１０あるいは投光・受光アレイデバイス１００では、
光路変換部としての光屈折部を光集積回路に形成する形態を例示して説明したが、これに限られず、本実施の形態に係る投光・受光アレイデバイス３５０のように、レンズ側に設けてもよい。このような構成によれば、光屈折部３５４も含むレンズ３５２を、たとえば透光性樹脂による射出成形で製造することができるので、投光・受光アレイデバイスの製造をより簡易にすることができる。

【0079】

［第４の実施の形態］
図９を参照して、本実施の形態に係る投光・受光アレイデバイス２５０について説明する。
投光・受光アレイデバイス２５０は、半導体素子２５２、レンズ２５４、および半田バンプ２５６を含んで構成されている。

【0080】

投光・受光アレイデバイス２５０も、上記各実施の形態と同様、半導体素子２５２の主面２５８に形成された光路変換部としての光屈折部（図示省略）を有し、該光屈折部で仮想光線を複数（図９では２つ）に分離する。そして、分離された各々の仮想光線の進行方向に光導波路、あるいは発光素子、受光素子（図示省略）を配置している。

【0081】

投光・受光アレイデバイス２５０の光屈折部は、半導体素子２５２の主面２５８に異方性エッチング等により形成することができる。また、レンズ２５４は、たとえば、樹脂を用いたナノインプリント等で成形することができる。
したがって、本実施の形態に係る投光・受光アレイデバイス２５０は、小型化が可能であり、また低コストで製造することができる。また、ナノインプリントによるレンズの成形はアレイ化が容易なので、投光・受光アレイデバイスの簡易な製造、あるいは投光・受光デバイスの一括製造等が可能となる。

【0082】

さらに、投光・受光アレイデバイス２５０は、半導体素子２５２に形成された半田バンプ２５６を有しているので、たとえば、光を基板表面に対し垂直に出射、入射するタイプの光基板（たとえば、特開２０１３−１３７４１９号公報等参照）に実装して、マルチビーム走査装置等のシステムを簡易に構成することができる。

【0083】

［第５の実施の形態］
図１０を参照して、本実施の形態に係る投光・受光デバイス２００について説明する。
図１０（ａ）は、投光・受光デバイス２００の平面図、図１０（ｂ）は、投光・受光デバイス２００の、図１０（ａ）におけるＢ−Ｂ’線に沿って切断した断面図を示している。
投光・受光デバイス２００は、同軸光学系を面型発光・受光デバイス（面型光学装置）として構成するものであり、そのため、光路変換部として回折格子を用いている。つまり、投光・受光デバイス２００では、投光・受光デバイス１０の光屈折部１４の代わりに回折格子５０Ａ、５０Ｂを配置している。

【0084】

図１０に示すように、投光・受光デバイス２００は、光集積回路５６、およびレンズ６８を含んで構成されている。

【0085】

光集積回路５６は、投光・受光デバイス１０と同様に、内部に埋設されたコア５２Ａおよび５２Ｂ（以下、総称する場合には「コア５２」と称する場合がある。）を有し、その表面には、回折格子５０Ａおよび５０Ｂ（以下、総称する場合には「回折格子５０」と称する場合がある。）が形成されている。

【0086】

また、光集積回路５６には、投光・受光デバイス１０と同様に、開孔部５４Ａおよび５４Ｂが形成されている。開孔部５４Ａには発光素子２４が搭載され、該発光素子２４の光出射部はコア５２Ａの端面と光結合されている。また、開孔部５４Ｂには受光素子２６が搭載され、該受光素子２６の受光部はコア５２Ｂの端面と光結合されている。そして、投光・受光デバイス１０と同様、投光部・受光部駆動回路（図示省略）により、発光素子および受光素子が独立に駆動されるように構成されている。
さらに、コア５２と光集積回路５６の光集積回路本体部分で形成されたクラッドとで光導波路を構成していることも投光・受光デバイス１０と同様である。

【0087】

つぎに、投光・受光デバイス２００の作用について説明する。

【0088】

図１０（ａ）において、発光素子２４から出射した光は、コア５２Ａの内部を進み、点ＰＡで示される部分において９０°光路を曲げられ、回折格子５０Ａに到達する。回折格子５０Ａに到達した光は回折格子の回折作用により紙面垂直に立ち上げられ、紙面手前に向かって出射し、図１０（ｂ）に示すように、レンズ６８の仮想焦点Ｆに集束する仮想光線ＤＡに沿って進み、レンズ６８から平行光として出射する。

【0089】

一方、図１０（ｂ）に示すように、投光・受光デバイス２００の外部からレンズ６８に向かって入射した光は、仮想光線ＤＢにそって進み、回折格子５０Ｂで光集積回路５６の表面に対し垂直な方向に光路を曲げられて、光集積回路５６に入射する。さらに、図１０（ａ）に示すように、光集積回路５６に入射した後、コア５２Ｂに光結合した光は、点ＰＢで示される部分において９０°光路を曲げられ、コア５２Ｂの内部を進んだ後、受光素子２６で受光される。

【0090】

ここで、投光・受光デバイス２００では、コア５２の先端から光を拡げて回折格子５０に光結合させている。コア５２の先端は光集積回路５６内でそのまま開放してもよいが、
コア５２の先端に、図１１に示すテーパ５８を設けて、光の拡がりをより確実なものとしてもよい。テーパ５８は、たとえばＳｉによるコア５２形成時に同時に形成することができる。
なお、図１０（ａ）では、発光素子側のテーパ５８をテーパ５８Ａ、受光素子側のテーパ５８をテーパ５８Ｂと表記している。

【0091】

ここで、回折格子５０の回折角度θ_ｄについて説明する。
上述したように、本発明は、仮想光軸ＤＡおよびＤＢに沿って進む光の光路を途中で変換し、仮想焦点Ｆに集束する光路を複数（図１０では２つ）に分離する点を１つの特徴としている。

【0092】

この特徴を実現すべく、本実施の形態に係る投光・受光デバイス２００の回折格子５０では、図１０（ｂ）に示すように、光集積回路５６の表面に対する法線ｌ_Ａ、ｌ_Ｂに平行に光が進むのではなく、該法線ｌ_Ａ、ｌ_Ｂに対しθ_ｄなる角度で進むように構成されている。そして、この角度θ_ｄは、仮想光線ＤＡ、ＤＢが前記法線ｌ_Ａ、ｌ_Ｂとなす角度と略同一の角度とされている。
回折格子５０の回折角度θ_ｄをこのように設定することにより、回折格子５０は、投光・受光デバイス１０の光屈折部１４と同様の作用を奏することができる。

【0093】

なお、投光・受光デバイス２００は、第１の実施の形態と同様の製造方法、すなわち、
ＳＯＩ基板を用いた方法、あるいは透光性樹脂による一体成型等による製造方法で製造することができる。

【0094】

以上のように、本実施の形態に係る投光・受光デバイス２００によっても、光軸調整がより容易な同軸光学系を実現することができる。
また、本発明の光路変換手段は、光集積回路の端面の傾斜部を用いる方法のみならず、
光路を変換する方法であれば得に制約なく採用することが可能であり、本実施の形態のように回折格子を採用することも可能である。

【0095】

［第６の実施の形態］
図１２を参照して、本実施の形態に係る投光・受光アレイデバイス３００について説明する。図１２（ａ）は投光・受光アレイデバイス３００の平面図を、図１２（ｂ）は投光・受光アレイデバイス３００の図１２（ａ）におけるＣ−Ｃ’線に沿って切断した断面図を示している。
図１２に示すように、投光・受光アレイデバイス３００は、先述した投光・受光デバイス２００を複数（図１２では、一例として１９個）アレイ状に配置したものである。

【0096】

投光・受光アレイデバイス３００は、投光・受光デバイス２００を複数形成した光集積回路６０およびレンズ６２を含んで構成されている。投光・受光デバイス２００の部分は、回折格子５０（回折格子５０Ａ、５０Ｂ）を含んで構成されており、個々の投光・受光デバイス２００は、上述した作用・機能を奏する。

【0097】

また、投光・受光アレイデバイス３００も、投光・受光アレイデバイス２００と同様に、投光部・受光部駆動回路（図示省略）によって、各投光・受光デバイス２００の発光素子２４、受光素子２６を個別に駆動することが可能なように構成されている。

【0098】

したがって、投光・受光アレイデバイス３００でも、たとえば、投光・受光デバイス２００を順番に発光・受光動作を行わせることにより、スキャニング動作を行わせることが可能となる。したがて、投光・受光アレイデバイス３００も、このようなスキャニング動作を行わせることにより、たとえば、外部の物体の表面形状を面で走査するマルチビーム走査装置として構成することが可能である。

【0099】

本実施の形態に係る投光・受光アレイデバイス３００を用いたマルチビーム走査装置でも、たとえば、ガルバノミラーによる走査などとは異なり、可動部分を有さないマルチビーム走査装置を構成することが可能となる。したがって、簡易な構成でしかも高信頼度のマルチビーム走査装置を構成することができる。

【0100】

なお、投光・受光アレイデバイス３００では、必ずしも各投光・受光デバイス２００を順番に発光・受光動作させる必要はなく、各チャンネルの動作のタイミングは任意に設定することができる。このように設定した場合の投光・受光アレイデバイス３００の用途としては、たとえば、面で物体の形状をスキャニングし、物体の有無等を検知するレーザレーダー等の用途が考えられる。

【0101】

また、投光・受光アレイデバイス３００は、第１の実施の形態と同様の製造方法、すなわち、ＳＯＩ基板を用いた方法、あるいは透光性樹脂による一体成型等による製造方法で製造することができる。

【0102】

［第７の実施の形態］
図１３を参照して、本実施の形態に係る投光・受光アレイデバイス１５０について説明する。本実施の形態は、投光・受光アレイデバイス３００において分離されていた回折格子とレンズとを一体的に構成した形態である。図１３（ａ）は投光・受光アレイデバイス１５０の斜視図、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）におけるＤ−Ｄ’線に沿って切断した断面図を示している。

【0103】

図１３に示すように、投光・受光アレイデバイス１５０は、光集積回路部１５２、レンズ部１５４、および回折格子部１５６を含んで構成され、光集積回路部１５２、レンズ部１５４、および回折格子部１５６は、同一の材料で一体的に形成されている。
回折格子部１５６の作用は、投光・受光アレイデバイス３００の回折格子５０と同様であり、各回折格子部１５６には、光導波路あるいは発光素子、受光素子（図示省略）が光結合されていることも同様である。

【0104】

投光・受光アレイデバイス１５０は、回折格子部１５６を内部に作り込んだ光集積回路部１５２とレンズ部１５４を、たとえば、透光性樹脂による射出成型により一体的に製造することができる。さらに、投光・受光デバイス２００のように、光導波路部、および発光素子搭載部、受光素子搭載部も含めた形態の投光・受光デバイスとして一体的に製造することも可能である。本実施の形態に係る投光・受光アレイデバイス１５０によれば、射出成型の段階で回折格子とレンズとの位置合わせが行われるので、さらに光軸調整が容易なものとなる。

【0105】

［第８の実施の形態］
図１４および図１５を参照して、本実施の形態に係る投光・受光デバイス４００および５００について説明する。

【0106】

図１４（ａ）は投光・受光デバイス４００の側面図、図１４（ｂ）は、投光・受光デバイス４００のコーンミラー６４の平面図を示している。
図１４に示すように、投光・受光デバイス４００は、投光・受光アレイデバイス３００および、投光・受光アレイデバイス３００からの出射光および投光・受光アレイデバイス３００への入射光に光結合されたコーンミラー６４を含んで構成されている。コーンミラーとは、円錐の周囲面を鏡面としたミラーである。

【0107】

コーンミラー６４は、投光・受光アレイデバイス３００の面状に配置された複数の投光・受光デバイス２００から出射する光を全周方向に放射し、投光・受光デバイス２００に向かう光を全周方向から受光している。つまり、投光・受光デバイス４００は、投光・受光アレイデバイス３００の発光素子からの光線が全周方向に出射し、あるいは受光素子への光線が全周方向から入射するようにしたものである。
このような構成を有する投光・受光デバイス４００をレーザ測距装置になどに適用すれば、全方向計測が可能となる。

【0108】

なお、本実施の形態に係る投光・受光デバイス４００では、コーンミラー６４と光結合させる投光・受光デバイスとして投光・受光アレイデバイス３００を採用した場合を例示して説明したが、これに限られず、上記各実施の形態に係る投光・受光デバイスを採用することができる。

【0109】

図１５（ａ）は投光・受光デバイス５００の平面図、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）のＥ−Ｅ’線に沿って切断した断面図を示している。
図１５に示す投光・受光デバイス５００は、投光・受光アレイデバイス３００および魚眼レンズ６６を含んで構成されている。先述した各実施の形態に係る投光・受光デバイスでは、その構造上、出射する光線の振れ角には制約がある。そこで、本実施の形態に係る投光・受光デバイス５００では、投光・受光デバイスからの出射光に対し魚眼レンズ６６を配して、上記投光・受光デバイス４００同様全周方向に光を出射し、全周方向から光を入射するとともに、出射光および入射光の振れ角を拡大している。

【0110】

図１５（ｂ）において、光集積回路６０の表面に対する法線ｌ_ｓ１に対してα_１なる角度で出射（あるいは入射）した光線は、魚眼レンズ６６の作用により法線ｌ_ｓ２に対してα_２（＞α_１）なる角度をなす光線に変換される。その結果、投光・受光アレイデバイス３００内の投光・受光デバイス２００から出射する光線、あるいは投光・受光デバイス２００に入射する光線の振れ角を拡大することができる。
したがって、上記構成を有する投光・受光デバイス５００をレーザを用いたスキャナや、マルチビーム走査装置等に適用すれば、出射する光線、入射する光線の偏光角を拡大することができる。

【0111】

なお、本実施の形態に係る投光・受光デバイス５００では、魚眼レンズ６６と光結合させる投光・受光デバイスとして投光・受光アレイデバイス３００を採用した場合を例示して説明したが、これに限られず、上記各実施の形態に係る投光・受光デバイスを採用することができる。

【0112】

なお、上記各実施の形態では、発光素子または受光素子から光路変換部（光屈折部１４、回折格子５０）にかけての、コア（コア２０、コア５２）を含む光導波路の構成については特に言及しなかったが、たとえば、発光素子２４等から出射する光のビーム形状と、
光集積回路から出射させる光のビーム形状との関係に応じて、スポットサイズ変換導波路（たとえば、参考文献１等参照）として構成してもよい。
［参考文献１］
K. Shiraishi, et al.,‘A silicon-based spot-size converter between single-mode fibers and Si-wire waveguides using cascaded tapers’,Applied Physics Letters 91,141120(2007)

【符号の説明】

【0113】

１０ 投光・受光デバイス
１２ 光集積回路
１４、１４Ａ〜１４Ｈ 光屈折部
１８ レンズ
１８Ａ、１８Ｂ 仮想レンズ
２０、２０Ａ〜２０Ｈ コア
２４、２４−１〜２４−３ 発光素子
２６、２６−１〜２６−３ 受光素子
２８ レンズ
３０ クラッド
３２ 迷光防止部材
３４Ａ、３４Ｂ 開孔部
４０ 光集積回路
５０、５０Ａ、５０Ｂ 回折格子
５２、５２Ａ、５２Ｂ コア
５４Ａ、５４Ｂ 開孔部
５６ 光集積回路
５８、５８Ａ、５８Ｂ テーパ
６０ 光集積回路
６２ レンズ
６４ コーンミラー
６６ 魚眼レンズ
６８ レンズ
７０ 光導波路
７４ ＳＯＩ基板
７６ レジストパターン
７８ 電極
８０ Ｓｉ基板
８２ ＳｉＯ_２層
８４ Ｓｉ層
８６、８８ レジストパターン
９０ Ｎ型層
９２ レジストパターン
９４ 開孔
９６ ＳｉＯ_２膜
９８ コンタクトホール
１００、１５０ 投光・受光アレイデバイス
１５２ 光集積回路部
１５４ レンズ部
１５６ 回折格子部
２００ 投光・受光デバイス
２５０ 投光・受光アレイデバイス
２５２ 半導体素子
２５４ レンズ
２５６ 半田バンプ
２５８ 主面
３００、３５０ 投光・受光アレイデバイス
３５２ レンズ
３５４、３５４Ａ、３５４Ｂ 光屈折部
３５６ コア
３６０ 光集積回路
４００ 投光・受光デバイス
５００ 投光・受光デバイス
ＢＧ バルク部
ＣＡ，ＣＡ１〜ＣＡ３ 光軸
ＤＡ、ＤＢ 仮想光線
Ｆ 仮想焦点

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】