ホーム > 特許ランキング > 国立大学法人東京工業大学
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022082100
(43)【公開日】2022-06-01
(54)【発明の名称】光偏向デバイス
(51)【国際特許分類】
H01S 5/183 20060101AFI20220525BHJP
H01S 5/022 20210101ALI20220525BHJP
H01S 5/026 20060101ALI20220525BHJP
G02F 1/295 20060101ALI20220525BHJP
G01S 7/481 20060101ALI20220525BHJP
【ＦＩ】
H01S5/183
H01S5/022
H01S5/026 610
G02F1/295
G01S7/481 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2020193462
(22)【出願日】2020-11-20
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２８年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「高輝度・高効率次世代レーザー技術開発／次々世代加工に向けた新規光源・要素技術開発／高出力・高ビーム品質動作を可能とする新型面発光レーザーの研究開発」平成２８年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業（ＡＣＣＥＬ）、「スローライト構造体を利用した非機械式ハイレゾ光レーダーの開発」、「短・中距離用ＴＯＦ方式光レーダー要素開発」、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】304021417
【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学
(74)【代理人】
【識別番号】100105924
【弁理士】
【氏名又は名称】森下 賢樹
(74)【代理人】
【識別番号】100109047
【弁理士】
【氏名又は名称】村田 雄祐
(74)【代理人】
【識別番号】100109081
【弁理士】
【氏名又は名称】三木 友由
(74)【代理人】
【識別番号】100133215
【弁理士】
【氏名又は名称】真家 大樹
(72)【発明者】
【氏名】小山 二三夫
(72)【発明者】
【氏名】顧 暁冬
(72)【発明者】
【氏名】ルイシャオ リ
【テーマコード（参考）】
2K102
5F173
5J084
【Ｆターム（参考）】
2K102BA07
2K102BC01
2K102BD09
2K102DA04
2K102DD03
2K102EB08
2K102EB20
5F173AC03
5F173AC13
5F173AC42
5F173AC61
5F173AD15
5F173AR59
5F173AR99
5F173AS01
5F173MA10
5F173MD62
5F173ME22
5F173ME32
5F173MF13
5F173MF26
5J084BA04
5J084BA49
5J084BA50
5J084BB15
(57)【要約】
【課題】偏向角度を拡大し、あるいは分解能を高めた光偏向デバイスを提供する。
【解決手段】光偏向デバイス１００において、第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０は、入射端にコヒーレントな入射光２を受け、入射光２を垂直方向に多重反射させながら、水平な第１方向にスローライト伝搬させ、その上面の出射口１２２から出射光６を取り出すよう構成される。ＤＯＥ１３０は、第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０の上側に設けられる。ＤＯＥ１３０は、第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０の出射光６を、第１方向に回折する。
【選択図】図１
【解決手段】光偏向デバイス１００において、第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０は、入射端にコヒーレントな入射光２を受け、入射光２を垂直方向に多重反射させながら、水平な第１方向にスローライト伝搬させ、その上面の出射口１２２から出射光６を取り出すよう構成される。ＤＯＥ１３０は、第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０の上側に設けられる。ＤＯＥ１３０は、第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０の出射光６を、第１方向に回折する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
入射端にコヒーレントな入射光を受け、前記入射光を垂直方向に多重反射させながら、水平な第１方向にスローライト伝搬させ、その上面の出射口から出射光を取り出すよう構成される第１ＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）構造体と、
前記第１ＶＣＳＥＬ構造体の上側に設けられた回折光学素子と、
を備えることを特徴とする光偏向デバイス。
前記第１ＶＣＳＥＬ構造体の上側に設けられた回折光学素子と、
を備えることを特徴とする光偏向デバイス。
【請求項2】
前記回折光学素子は、前記第１ＶＣＳＥＬ構造体の出射光を、前記第１方向に回折することを特徴とする請求項１に記載の光偏向デバイス。
【請求項3】
前記回折光学素子は、前記第１ＶＣＳＥＬ構造体の出射光を前記第１方向およびそれと垂直な第２方向に回折することを特徴とする請求項１に記載の光偏向デバイス。
【請求項4】
前記回折光学素子は、前記第１ＶＣＳＥＬ構造体の出射光を前記第１方向に垂直な第２方向に回折することを特徴とする請求項１に記載の光偏向デバイス。
【請求項5】
前記第１ＶＣＳＥＬ構造体の入射端に前記第１方向に結合される第２ＶＣＳＥＬ構造体を含む光源をさらに備え、
前記光源は、発振波長が制御可能に構成されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光偏向デバイス。
前記光源は、発振波長が制御可能に構成されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光偏向デバイス。
【請求項6】
前記第１ＶＣＳＥＬ構造体および前記第２ＶＣＳＥＬ構造体は、それぞれのＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）同士、活性層同士が連続して形成されることを特徴とする請求項５に記載の光偏向デバイス。
【請求項7】
前記光源は、前記第２ＶＣＳＥＬ構造体に注入する駆動電流が可変に構成されることを特徴とする請求項５または６に記載の光偏向デバイス。
【請求項8】
前記第１ＶＣＳＥＬ構造体に対して、前記第１方向と垂直な第２方向に配置されており、その入射端にコヒーレントな入射光を受け、前記入射光を垂直方向に多重反射させながら、前記第１方向と逆向きにスローライト伝搬させ、その上面の出射口から出射光を取り出すよう構成される第３ＶＣＳＥＬ構造体をさらに備え、
前記回折光学素子は、前記第１ＶＣＳＥＬ構造体と前記第３ＶＣＳＥＬ構造体の上側に設けられることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の光偏向デバイス。
前記回折光学素子は、前記第１ＶＣＳＥＬ構造体と前記第３ＶＣＳＥＬ構造体の上側に設けられることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の光偏向デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、光ビームの方向を制御する光偏向デバイスに関する。
【背景技術】
【0002】
自動車、ドローン、ロボットなどに搭載されるレーザレーダ（LIDAR）、パソコンやスマートホンに搭載して周囲環境を手軽に取り込む３Ｄスキャナ、近赤外安全監視システム、製造現場での自動検査装置などで、光偏向デバイスが用いられている。
【0003】
光偏向デバイスとしては、大きく、機械式のものと非機械式のものに分類される。前者としては、ポリゴンミラー、ガルバノミラー、あるいはモータによる機械的駆動系を用いたものが実用化されている（非特許文献１）。機械式の偏向デバイスは、モジュールサイズ、偏向スピード、信頼性に課題がある。
【0004】
非機械式の光偏向デバイスとしては、マイクロマシンによるMEMSミラー（非特許文献２）、電気光学結晶を用いたもの（非特許文献３）、フォトニック結晶レーザを用いたもの（非特許文献４）、フェーズアレイアンテナを用いたもの（非特許文献５）などが報告されている。
【0005】
また本発明者らは、Bragg反射鏡から構成されるスローライト導波路を用いて、その巨大な構造分散により、光の波長を掃引することで高解像度のビーム偏向を提案している（特許文献１、非特許文献６，７）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開２０１３－０１６５９１号公報
【非特許文献】
【0007】
【非特許文献1】T. Matsuda, F. Abe, and H. Takahashi, "Laser printer scanning system with a parabolic mirror" Appl. Opt., vol. 17, no. 6, pp. 878-884, Mar. 1978.
【非特許文献2】P. F. V. Dessel, L. J. Hornbeck, R. E. Meier, and M. R. Douglass, "A MEMS-based projection display," Proc. IEEE, vol. 86, no. 8, pp. 1687-1704, Aug. 1988.
【非特許文献3】K. Nakamura, J. Miyazu, M. Sasaura, and K. Fujiura, "Wide-angle, low-voltage electro-optic beam deflection based onspace-charge-controlled mode of electrical conduction in KTa1xNbxO3," Appl. Phys. Lett., vol. 89, no. 3, pp. 131115-1-131115-3, Sep. 2006.
【非特許文献4】Y. Kurosaka, S. Iwahashi, Y. Liang, K. Sakai, E. Miyai, W. Kunishi, D. Ohnishi, and S. Noda, "On-chip beam-steering photonic-crystal lasers," Nat. Photon., vol. 4, no. 7, pp. 447-450, May 2010.
【非特許文献5】J. K. Doylend, et.al., "Two-dimensional free-space beam steering with an optical phased array on silicon-on-insulator," Optics Express, vol. 19, no.22, pp.21595-21604, 2011.
【非特許文献6】X. Gu, T. Shimada, and F. Koyama, "Giant and high-resolution beam steering using slow-light waveguide amplifier,"Opt. Exp., vol. 19, no. 23, pp. 22 675-22 683, Nov. 2011.
【非特許文献7】M. Nakahama, X. Gu, T. Shimada, and F. Koyama, "On-Chip high-resolution beam scanner based on Bragg reflector slow-light waveguide amplifier and tunable micro-electro-mechanical system vertical cavity surface emitting laser," Jpn. J. Appl. Phys., vol. 51, no. 4, pp. 040208-1-040208-3, Mar. 2012.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
従来の非機械式の光偏向デバイスは、視野、言い換えると偏向角度が１０°程度に制限されており、いくつかのアプリケーションでは十分とはいえず、さらなる拡大が望まれている。
【0009】
本開示はかかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、偏向角度を拡大し、あるいは分解能を高めた光偏向デバイスの提供にある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本開示のある態様の光偏向デバイスは、入射端にコヒーレントな入射光を受け、入射光を垂直方向に多重反射させながら、水平な第１方向にスローライト伝搬させ、その上面の出射口から出射光を取り出すよう構成される第１ＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）構造体と、第１ＶＣＳＥＬ構造体の上側に設けられた回折光学素子と、を備える。
【0011】
なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、あるいは本発明の表現を、方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【0012】
本開示のある態様によれば、偏向角度を拡大できる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】実施形態１に係る光偏向デバイスの斜視図である。
【図2】光偏向デバイスにおけるスローライトモード波の伝搬を説明する図である。
【図4】光偏向デバイスの動作を説明する図である。
【図7】ＤＯＥによるビームの分割数と、偏向角度および解像点の関係を示す図である。
【図8】実施形態２に係る光偏向デバイスの斜視図である。
【図10】実施形態３に係る光偏向デバイスの斜視図である。
【図13】実施形態４に係る光偏向デバイスの斜視図である。
【図15】実施形態５に係る光偏向デバイスの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
（実施形態の概要）
本開示のいくつかの例示的な実施形態の概要を説明する。この概要は、後述する詳細な説明の前置きとして、実施形態の基本的な理解を目的として、１つまたは複数の実施形態のいくつかの概念を簡略化して説明するものであり、発明あるいは開示の広さを限定するものではない。またこの概要は、考えられるすべての実施形態の包括的な概要ではなく、実施形態の欠くべからざる構成要素を限定するものではない。便宜上、「一実施形態」は、本明細書に開示するひとつの実施形態（実施例や変形例）または複数の実施形態（実施例や変形例）を指すものとして用いる場合がある。
本開示のいくつかの例示的な実施形態の概要を説明する。この概要は、後述する詳細な説明の前置きとして、実施形態の基本的な理解を目的として、１つまたは複数の実施形態のいくつかの概念を簡略化して説明するものであり、発明あるいは開示の広さを限定するものではない。またこの概要は、考えられるすべての実施形態の包括的な概要ではなく、実施形態の欠くべからざる構成要素を限定するものではない。便宜上、「一実施形態」は、本明細書に開示するひとつの実施形態（実施例や変形例）または複数の実施形態（実施例や変形例）を指すものとして用いる場合がある。
【0015】
一実施形態に係る光偏向デバイスは、入射端にコヒーレントな入射光を受け、入射光を垂直方向に多重反射させながら、水平な第１方向にスローライト伝搬させ、その上面の出射口から出射光を取り出すよう構成される第１ＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）構造体と、第１ＶＣＳＥＬ構造体の上側に設けられた回折光学素子と、を備える。
【0016】
第１ＶＣＳＥＬ構造体の出射口からは、入射光（シード光）の波長λＳと第１ＶＣＳＥＬ構造体の共振波長λＣの相対的な関係にもとづく出射角θｒで、ビームが出射され、λＳとλＣを相対的に変化させることにより出射角θｒを変化させ、ビームを掃引することができる。このビームは、回折光学素子によって回折され、複数のビームにスプリットして放射される。これにより、偏向角度を拡大し、あるいは分解能を高めることができる。
【0017】
２つの波長は、λＳ＜λＣを満たすことが好ましい。第１ＶＣＳＥＬ構造体から入射端を介しての戻り光を抑圧することができ、第１ＶＣＳＥＬ構造体から出射されるビーム品質を改善できる。
【0018】
一実施形態において、回折光学素子は、第１ＶＣＳＥＬ構造体の出射光を、第１方向に回折してもよい。この場合、回折光学素子から放射される複数のビームそれぞれの出射角は、θｒ＋ｍ・θｓｅｐ（ｍは０，－１，＋１，－２，＋２…）で表される。
【0019】
θｒの掃引範囲をΔθｒとするとき、２θｓｅｐ≦Δθｒを満たすことが好ましい。この場合、隣接するビーム同士を連続して掃引することができる。
【0020】
一実施形態において、回折光学素子は、第１ＶＣＳＥＬ構造体の出射光を第１方向に垂直な第２方向に回折してもよい。この場合、第２方向に複数のビームを分岐して放射でき、それらを第１方向に掃引することができるため、解像度を高めることができる。
【0021】
一実施形態において、回折光学素子は、第１ＶＣＳＥＬ構造体の出射光を第１方向およびそれと垂直な第２方向に回折してもよい。これにより、偏向角度を拡大するとともに、解像度を高めることができる。
【0022】
一実施形態において、光偏向デバイスは、第１ＶＣＳＥＬ構造体の入射端に第１方向に結合される第２ＶＣＳＥＬ構造体を含む光源をさらに備えてもよい。光源は、発振波長が制御可能に構成されてもよい。光源の発振波長に応じて、ビームの出射角を制御することができる。
【0023】
一実施形態において、第１ＶＣＳＥＬ構造体および第２ＶＣＳＥＬ構造体は、それぞれのＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）同士、活性層同士が連続して形成されてもよい。第１ＶＣＳＥＬ構造体と第２ＶＣＳＥＬ構造体を集積化することで、光偏向デバイスを一層、小型化、低コスト化できる。
【0024】
一実施形態において光源は、第２ＶＣＳＥＬ構造体に注入する駆動電流が可変に構成されてもよい。駆動電流に応じて光源の発振波長を変化させることができ、ひいては出射角θｒを制御できる。
【0025】
一実施形態において、第１ＶＣＳＥＬ構造体には発振しきい値を超える駆動電流が注入されてもよい（アクティブ動作）。これにより第１ＶＣＳＥＬ構造体において、高効率に光を増幅することができる。出射光は、波面の揃ったコヒーレントな光となり、微小スポットに結像させることができ、長尺化させることで高出力化も同時に実現できる。
【0026】
一実施形態において、第１ＶＣＳＥＬ構造体は発振しきい値以下の駆動電流が注入されてもよい（パッシブ動作）。この場合でも、ビームを掃引することができる。
【0027】
第１ＶＣＳＥＬ構造体と第２ＶＣＳＥＬ構造体の少なくとも一方は、エアギャップ層を有し、マイクロマシン構造により、エアギャップ層の厚みが可変に構成されてもよい。これにより、第１ＶＣＳＥＬ構造体あるいは第２ＶＣＳＥＬ構造体のキャビティ長を変化させることができ、λＣあるいはλＳを制御することができ、出射角θｒを制御できる。
【0028】
（実施形態）
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【0029】
図１は、実施形態１に係る光偏向デバイス１００Ａの斜視図である。光偏向デバイス１００Ａは、光ビーム（出射光）６を垂直方向に放射し、出射光６を水平第１方向（図中、ｘ方向）に掃引する。
【0030】
光偏向デバイス１００Ａは、第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０および回折光学素子（ＤＯＥ：Diffractive Optical Element）１３０を備える。
【0031】
第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０は、基板１０２上に垂直方向（図中、ｚ方向）に積層されており、上部ＤＢＲ層１１２、活性層１１４、下部ＤＢＲ層１１６を含む。この第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０は、ビームのスキャン方向である水平第１方向（図中、ｘ方向）を長手として構成される。第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０は、垂直方向の共振器長で定まる固有の共振波長λＣを有している。第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０は、酸化狭窄層１１８を含むことを特徴とするができ、酸化狭窄の幅に応じて、活性領域のサイズが定められる。
【0032】
第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０は、第１方向（ｘ方向）の一端側に設けられた入射口（結合領域ともいう）１２０にコヒーレントな入射光（レーザ光）２を受ける。第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０の内部で、レーザ光３は垂直方向（ｚ方向）に多重反射しながら、第１方向にスローライト伝搬する。入射口１２０には、光ファイバを用いて、外部光源２００からの光を結合させてもよい。
【0033】
第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０の表面には、電極１２４が形成されており、電極１２４に囲まれる領域が、出射口（出射アパーチャ）１２２となる。第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０の内部を伝搬するスローライトモード波４の一部は、第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０の上面の出射口１２２から出射光６として放射される。
【0034】
電極１２４には電流を供給せず、第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０を不活性状態とし、単なる導波路として動作させてもよい（パッシブモード）。但しこの場合、第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０の内部においてレーザ光３は一部が放射されながら、ｘ方向に伝搬していくため、入射口１２０から離れるに従って、出射光６の強度が弱くなる。
【0035】
好ましくは電極１２４に、しきい値を超える電流を注入し、第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０を活性化した状態で動作させてもよい（アクティブモード）。これにより、出射光６の強度分布は、第１方向に関して、実質的に一定となり、その強度もきわめて大きくなる。また出射光６は，波面の揃ったコヒーレントな光となり、微小スポットに結像させることができ、長尺化させることで高出力化も同時に実現できる。
【0036】
光偏向デバイス１００Ａは、入射光２の波長λＳと、第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０の共振波長λＣとの相対的な関係に応じて定まる出射角θｒで、出射光６を放射する。
【0037】
図２は、光偏向デバイス１００Ａにおけるスローライトモード波４の伝搬を説明する図である。右向きのスローライトモード波４を考える。波長λＳの入射光２は、第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０内を垂直方向に多重反射しながら、右方向にスローライト伝搬する。垂直方向に多重反射する光３の波数ベクトルｋは、式（１）で表される。ｎは屈折率である。
ｋ＝２πｎ／λＳ …（１）
ｋ＝２πｎ／λＳ …（１）
【0038】
また、第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０の垂直方向（ｚ方向）に安定である共振波長（カットオフ波長ともいう）をλＣとするとき、共振波長λＣに関する波数ベクトルｋｃは、式（２）で表される。
ｋｃ＝２πｎ／λＣ …（２）
ｋｃ＝２πｎ／λＣ …（２）
【0039】
スローライトモード波４についても、波数ベクトルに相当するスローライト伝搬定数βＳＬを観念することができ、有効屈折率ｎｅｆｆを用いて、式（３）で表される。
βＳＬ＝２πｎｅｆｆ／λＳ …（３）
βＳＬ＝２πｎｅｆｆ／λＳ …（３）
【0040】
また３つの波数ベクトルに関して、式（４）が成り立つ。
ｋ２＝ｋｃ２＋βＳＬ ２ …（４）
ｋ２＝ｋｃ２＋βＳＬ ２ …（４）
【0041】
式（１）～（３）を式（４）に代入して整理すると、式（５）を得る。
ｎｅｆｆ＝ｎ×√（１－（λＳ／λＣ）２） …（５）
これがスローライトモード波４に対する有効屈折率である。
ｎｅｆｆ＝ｎ×√（１－（λＳ／λＣ）２） …（５）
これがスローライトモード波４に対する有効屈折率である。
【0042】
レーザ光２の入射角をθｉ、出射角をθｒとすると、式（６）が成り立つ。
ｓｉｎθｒ＝ｎｓｉｎθｉ …（６）
ｓｉｎθｒ＝ｎｓｉｎθｉ …（６）
【0043】
また、式（７）が成り立つ。
ｓｉｎθｉ＝βＳＬ／ｋ …（７）
ｓｉｎθｉ＝βＳＬ／ｋ …（７）
【0044】
式（５）～（７）より、出射角θｒは式（８）を満たし、出射光６は、２つの波長λＳとλＣの比に応じた角度で出射する。
ｓｉｎθｒ＝ｎ√（１－（λＳ／λＣ）２） …（８）
ｓｉｎθｒ＝ｎ√（１－（λＳ／λＣ）２） …（８）
【0045】
図１に戻る。第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０の上側には、透過型のＤＯＥ１３０が設けられる。本実施形態においてＤＯＥ１３０は一次元であり、下面に第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０の出射光６を受け、第１方向（ｘ方向）に回折し、複数本（この例では３本）にスプリットした回折ビームＢＭ０ｔｈ、ＢＭ－１ｓｔ，ＢＭ＋１ｓｔを放射する。
【0046】
【0047】
図３（ｂ）に示すように、シングルスポット光源１０から出射したビームは、ＤＯＥ１３０において回折され、０次光は、そのまま透過し、＋１次光はｘ方向に＋θｓｅｐ離れた角度に、－１次光はｘ方向に－θｓｅｐ離れた角度に放射される。図３（ｂ）には仮想的なスクリーン１２上の強度分布が示される。
【0048】
以上が光偏向デバイス１００Ａの構成である。続いてその動作を説明する。
【0049】
図４は、光偏向デバイス１００Ａの動作を説明する図である。外部光源２００により、光偏向デバイス１００の入射光２の波長λＳを、λ１からλ２に変化させたとする。実線は、λＳ＝λ１のときの、破線はλＳ＝λ２のときの光線を示す。
【0050】
波長λ１の光を入射したときの放射角θｒは、
θ１＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ√（１－（λ１／λＣ）２））
であり、波長λ２の光を入射したときの放射角θｒは、
θ２＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ√（１－（λ２／λＣ）２））
となる。
θ１＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ√（１－（λ１／λＣ）２））
であり、波長λ２の光を入射したときの放射角θｒは、
θ２＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ√（１－（λ２／λＣ）２））
となる。
【0051】
入射光２の波長λＳがλ１であるとき、ＤＯＥ１３０からは、θ１，θ１＋θｓｅｐ，θ１－θｓｅｐの３方向にビームＢＭ０ｔｈ、ＢＭ－１ｓｔ，ＢＭ＋１ｓｔが放射される。また入射光２の波長λＳがλ２であるとき、ＤＯＥ１３０からは、θ２，θ２＋θｓｅｐ，θ２－θｓｅｐの３方向にビームＢＭ０ｔｈ、ＢＭ－１ｓｔ，ＢＭ＋１ｓｔが放射される。
【0052】
入射光の波長λＳに応じて、３つのビームの照射位置を制御できるため、波長λＳを掃引することにより、３つのビームをｘ方向に走査することができる。
【0053】
図５（ａ）、（ｂ）は、ＤＯＥがない場合と、ある場合の、遠視野におけるビームの掃引を説明する図である。図５（ａ）に示すように、ＤＯＥが無い場合には、ビームは、θ１～θ２の範囲で走査され、偏向角度はθ２－θ１である。
【0054】
これに対してＤＯＥを設けることで、図５（ｂ）に示すように、走査範囲は、（θ１－θｓｅｐ）～（θ２＋θｓｅｐ）に拡大され、偏向角度は、（θ２－θ１）＋２θｓｅｐとなり、２θｓｅｐ分、大きくなる。
【0055】
１個のビームの掃引角Δθ＝θ２－θ１は、θｓｅｐと同程度にするとよく、波長λＳの掃引幅はその条件を満たすように定められる。これにより、ｘ方向に関して、ビームＢＭ０ｔｈの走査範囲とビームＢＭ－１ｓｔの走査範囲の隙間がなくなり、ビームＢＭ０ｔｈの走査範囲とビームＢＭ＋１ｓｔの走査範囲の隙間もなくすことができる。この場合には、トータルの偏向角度は、３θｓｅｐとなる。言い換えれば、偏向角度を３倍に拡大することができる。これは、従来において、１０°程度であった偏向角度を、３０°まで拡大できることを意味する。
【0056】
この例では、ＤＯＥ１３０によって、０次、＋１次、－１次の３方向にビームを回折させたが、ＤＯＥ１３０の次数は、ＤＯＥ１３０の溝の周期や深さなどに応じて任意に回折ビームの本数を増やすように設計することが可能である。回折ビームの本数に比例して、偏光角、解像点数を増やすことができる。
【0057】
続いて、実際に作成したデバイスの評価結果を説明する。
【0058】
図６（ａ）～（ｄ）は、光偏向デバイス１００Ａの遠視野像を示す図である。図６（ａ）には、ＤＯＥがない場合、図６（ｂ）にはＤＯＥがある場合において、入射光２の波長を固定したときの遠視野像が示される。ｘ方向のビームの広がり角は０．０２°～０．０２４°である。
【0059】
図６（ｃ）には、ＤＯＥがない場合に入射光２の波長を掃引したときの遠視野像が示される。ＤＯＥがない場合の偏向角度は約１０°である。
【0060】
図６（ｄ）には、ＤＯＥを追加した場合に、入射光２の波長を掃引したときの遠視野像が示される。ＤＯＥを設けた場合の偏向角度は、約４０°まで拡大されている。
【0061】
図７は、ＤＯＥによるビームの分割数と、偏向角度および解像点の関係を示す図である。ＤＯＥ１３０による分割数を増やすに従い、偏向角度および解像点を増やすことができる。
【0062】
（実施形態２）
実施形態１では、外部光源２００からの光を光偏向デバイス１００Ａに結合したが、実施形態２では、光偏向デバイス１００Ｂが、光源とともに集積化される。
実施形態１では、外部光源２００からの光を光偏向デバイス１００Ａに結合したが、実施形態２では、光偏向デバイス１００Ｂが、光源とともに集積化される。
【0063】
図８は、実施形態２に係る光偏向デバイス１００Ｂの斜視図である。光偏向デバイス１００Ｂは、第２ＶＣＳＥＬ構造体１４０を備える。第２ＶＣＳＥＬ構造体１４０は、第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０の入射端１２６において第１方向に結合される。
【0064】
第２ＶＣＳＥＬ構造体１４０は、外部光源２００に代わる光源であり、上部ＤＢＲ層１４２、活性層１４４、下部ＤＢＲ層１４６、酸化狭窄層１４８を備える。
【0065】
第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０と第２ＶＣＳＥＬ構造体１４０は、それぞれのＤＢＲ層１１６と１４６同士、１１２と１４２同士、活性層１１４と１４４同士が連続する態様で形成することができる。すなわち同じ基板１０２に、同じ半導体プロセスで第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０と第２ＶＣＳＥＬ構造体１４０を同時に作成できる。
【0066】
第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０と第２ＶＣＳＥＬ構造体１４０の間は、電気的に絶縁されている。たとえば第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０と第２ＶＣＳＥＬ構造体１４０の境界の領域１２８に、イオンを注入することにより、光学的な結合を阻害せずに、電気的な絶縁が可能となる。
【0067】
なお、第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０と第２ＶＣＳＥＬ構造体１４０を個別に構成し、端面同士を接合してもよい。
【0068】
駆動回路２１０は、第２ＶＣＳＥＬ構造体１４０の電極１５４に電流ＩＤＲＶを注入し、第２ＶＣＳＥＬ構造体１４０を発振させる。なお、第２ＶＣＳＥＬ構造体１４０は、一般的なＶＣＳＥＬとは異なり、その上面から出射光を取り出す必要がないため、上面の反射率は１００％付近まで高めてよい。そのために電極１５４を第２ＶＣＳＥＬ構造体１４０の上面全体にわたり形成し、金属反射膜として利用してもよい。
【0069】
第２ＶＣＳＥＬ構造体１４０が発振すると、レーザ光が第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０に染み出す。この染み出したレーザ光は、入射光２として第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０に結合する。第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０側の構成および動作は実施形態１と同様である。
【0070】
第２ＶＣＳＥＬ構造体１４０の発振波長λＳは、駆動回路２１０が注入する駆動電流ＩＤＲＶに応じて制御することができる。すなわち、第２ＶＣＳＥＬ構造体１４０は、駆動電流ＩＤＲＶに応じた自己発熱により、その温度が変化し、温度に応じた波長λＳで発振する。駆動電流ＩＤＲＶの電流量をＩ１からＩ２まで変化させると、入射光２の波長λＳを、電流量に応じた範囲λ１～λ２の間で変化させることができる。
【0071】
第２ＶＣＳＥＬ構造体１４０の発振波長λＳを制御する方法はこれに限定されない。駆動回路２１０から注入する電流ＩＤＲＶを一定とし、ヒータによって第２ＶＣＳＥＬ構造体１４０の温度を制御し、発振波長λＳを変化させてもよい。なお上述の駆動電流ＩＤＲＶによる波長制御は、ヒータが不要であるため、簡易かつ低コストであると言える。
【0072】
図９（ａ）～（ｄ）は、図７の光偏向デバイス１００Ｂの遠視野像を示す図である。図９（ａ）は、ＤＯＥがない場合、図９（ｂ）はＤＯＥがある場合において、注入する電流ＩＤＲＶ、すなわち入射光２の波長λｓを固定したときの遠視野像が示される。ｘ方向のビームの広がり角は０．１１°～０．１２°であり、実施形態１の光偏向デバイス１００Ａよりも広がり角は大きい。
【0073】
図９（ｃ）は、ＤＯＥがない場合に駆動電流ＩＤＲＶの電流量を掃引したときの遠視野像が示される。ＤＯＥがない場合の偏向角度は約１０°である。
【0074】
図９（ｄ）は、ＤＯＥを追加した場合に、駆動電流ＩＤＲＶを掃引したときの遠視野像が示される。ＤＯＥを設けた場合の偏向角度は、約４０°まで拡大されている。
【0075】
（実施形態３）
図１０は、実施形態３に係る光偏向デバイス１００Ｃの斜視図である。光偏向デバイス１００Ｃは、水平第１方向（ｘ方向）と垂直な第２方向（ｙ方向）に隣接する２つの光偏向デバイス１００＿１，１００＿２を備える。２個の光偏向デバイス１００＿１，１００＿２は、スローライトモード波の伝搬方向が逆向きとなるように構成される。
図１０は、実施形態３に係る光偏向デバイス１００Ｃの斜視図である。光偏向デバイス１００Ｃは、水平第１方向（ｘ方向）と垂直な第２方向（ｙ方向）に隣接する２つの光偏向デバイス１００＿１，１００＿２を備える。２個の光偏向デバイス１００＿１，１００＿２は、スローライトモード波の伝搬方向が逆向きとなるように構成される。
【0076】
２個の光偏向デバイス１００＿１，１００＿２は、実施形態１あるいは実施形態２で説明した構成を有する。領域１５０は、実施形態１における外部光源からの光を受ける入射口１２０に対応し、または実施形態２における第２ＶＣＳＥＬ構造体１４０に対応する。光偏向デバイス１００＿１は、第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０＿１を有し、光偏向デバイス１００＿２は、第３ＶＣＳＥＬ構造体１１０＿２を有する。本実施形態では、光偏向デバイス１００＿１と１００＿２は、同一基板上に集積化され、それぞれのＶＣＳＥＬ構造体の対応する層同士が連続している。また一枚のＤＯＥ１３０が、光偏向デバイス１００＿１と１００＿２の両方を覆うように配置される。
【0077】
なお、個別に構成された２個の光偏向デバイス１００＿１と１００＿２を、第２方向に隣接して配置してもよい。
【0078】
【0079】
図１１（ａ）は、ＤＯＥ１３０がないときの遠視野像を示す。光偏向デバイス１００＿１の出射ビームＢＭ１が、角度θ１～θ２の範囲で変化するとき、光偏向デバイス１００＿２の出射ビームＢＭ２は、角度－θ１～－θ２の範囲で変化することとなる。
【0080】
図１１（ｂ）は、ＤＯＥ１３０によりスプリットされた複数のビームの遠視野像を示す。光偏向デバイス１００＿１の出射ビームＢＭ１は、±θｓｅｐ離れた角度にスプリットして放射される。同様に光偏向デバイス１００＿２の出射ビームＢＭ２も、±θｓｅｐ離れた角度にスプリットして放射される。これにより、正負の広い角度範囲にわたって、ビームを走査することができる。
【0081】
【0082】
（実施形態４）
図１３は、実施形態４に係る光偏向デバイス１００Ｄの斜視図である。実施形態４において、ＤＯＥ１３０Ｄは、二次元回折素子であり、Ｘ方向とＹ方向の両方に周期的な構造を有している。
図１３は、実施形態４に係る光偏向デバイス１００Ｄの斜視図である。実施形態４において、ＤＯＥ１３０Ｄは、二次元回折素子であり、Ｘ方向とＹ方向の両方に周期的な構造を有している。
【0083】
ＤＯＥ１３０Ｄは、第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０の出射ビームを、Ｘ方向とＹ方向の両方にスプリットし、複数のビームを放射する。Ｘ方向に関しては±θｓｅｐｘ、離れた角度に放射され、Ｙ方向に関しては±θｓｅｐｙ、離れた角度に放射される。
【0084】
光源は、実施形態１で説明したように第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０の外部に設けられてもよいし、実施形態２で説明したように、第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０とともに集積化されてもよい。
【0085】
図１４（ａ）、（ｂ）は、図１３の光偏向デバイス１００Ｄの遠視野像を示す図である。図１４（ａ）には、ＤＯＥ１３０Ｄがない場合の遠視野像が示される。光偏向デバイス１００Ｄの出射ビームは、ｘ方向のビームの広がり角が非常に小さいのに対して、ｙ方向に関して、相対的に大きい広がり角を有している。
【0086】
図１４（ｂ）にはＤＯＥ１３０Ｄがある場合の遠視野像が示されており、ｘ方向とｙ方向にそれぞれに対して、ビームをスプリットさせることで、照射エリアを拡大できる。
【0087】
（実施形態５）
図１５は、実施形態５に係る光偏向デバイス１００Ｅの斜視図である。実施形態５において、ＤＯＥ１３０Ｅは、一次元回折素子であり、Ｙ方向に周期的な構造を有している。
図１５は、実施形態５に係る光偏向デバイス１００Ｅの斜視図である。実施形態５において、ＤＯＥ１３０Ｅは、一次元回折素子であり、Ｙ方向に周期的な構造を有している。
【0088】
【0089】
続いて光偏向デバイス１００の用途の例を説明する。
【0090】
図１７（ａ）～（ｄ）は、光偏向デバイス１００を備えるＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging）を示す図である。図１７（ａ）のＬＩＤＡＲ３００ａは、デバイスチップ３０２と、光学系３０４を備える。デバイスチップ３０２には、光偏向デバイス１００が集積化される。光偏向デバイス１００は、信号光２１を走査する。物体４００で反射した戻り光は、デバイスチップ３０２を介してそれに接続されたディテクタによって検出される。ディテクタは、デバイスチップ３０２と同一面上に集積化されてもよい。
【0091】
図１７（ｂ）のＬＩＤＡＲ３００ｂでは、光偏向デバイス１００とディテクタが別々に構成される。ＬＩＤＡＲ３００ｂは、２つのデバイスチップ３０６，３０８と、光学系３１０，３１２を備える。デバイスチップ３０６上には上述のいずれかの光偏向デバイス１００が集積化されている。光偏向デバイス１００は、信号光２１を走査する。物体４００で反射した戻り光２２は、デバイスチップ３０８を介してそれに接続されたディテクタによって検出される。
【0092】
図１７（ｃ）のＬＩＤＡＲ３００ｃでは、ディテクタとしてＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサが配置されている。ＬＩＤＡＲ３００ｃは、そのビーム偏向器側に、光偏向デバイス１００が集積化されたデバイスチップ３１４と、光学系３１６を備える。受光側として、光学系３２０とアレイ状ディテクタ３１８を備える。アレイ状ディテクタ３１８は、ＣＭＯＳセンサやＣＣＤであってもよい。光偏向デバイス１００は、信号光２１を走査する。物体４００で反射した戻り光２２は、光学系３２０を介してアレイ状ディテクタ３１８によって検出される。
【0093】
図１７（ｄ）のＬＩＤＡＲ３００ｄは、ビーム偏向器側に、光偏向デバイス１００を備える。受光側として、光学系３２２とディテクタアレイ３２４を備える。ディテクタアレイ３２４は、ＣＭＯＳセンサやＣＣＤであってもよい。光偏向デバイス１００は、実施形態４や実施形態５で説明したように、Ｙ方向にビームをスプリット可能である。光偏向デバイス１００は、信号光２１を１次元方向に走査する。それと直交方向は、ビーム自身がスプリットするため、複数の対象物体４０２を同時に照射する。ここの対象物体で反射した戻り光２２は、光学系３２２を介してディテクタアレイ３２４によって検出される。複数の対象物体４０２の個々の位置をディテクタアレイ３２４を用いて同時に検出することができる。
【0094】
上述のように、実施の形態に係る光偏向デバイス１００によれば、広範囲のビームスキャンを実現できる。したがって、ＬＩＤＡＲに用いることにより、より広範囲の物体４００の３次元位置情報を検出できる。
【0095】
上述したいくつかの実施の形態では、第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０の共振波長λＣを固定し、入射光２の波長λＳを制御することにより、出射光６の出射角θｒを制御したが本発明はそれに限定されない。出射角θｒは、２つの波長λＳとλＣの相対的な関係にもとづいて定まるため、波長λＳに代えて、あるいはそれに加えて、共振波長λＣを制御することとしてもよい。この場合、第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０を、共振波長λＣを可変に構成すればよく、具体的には、第１ＶＣＳＥＬ構造体１１０にＭＥＭＳ構造とエアギャップ層を設け、エアギャップ層の厚みを制御してもよい。
【0096】
実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
【符号の説明】
【0097】
１００…光偏向デバイス、１１０…第１ＶＣＳＥＬ構造体、１１２…上部ＤＢＲ、１１４…活性層、１１６…下部ＤＢＲ、１１８…酸化狭窄層、１２０…入射口、１２２…出射口、１２４…電極、１３０…ＤＯＥ、１４０…第２ＶＣＳＥＬ構造体、１４２…上部ＤＢＲ、１４４…活性層、１４６…下部ＤＢＲ、１４８…酸化狭窄層、２…入射光、４…スローライトモード波、６…出射光、２００…外部光源、２１０…駆動回路。
【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】
【図16】
【図17】