特開 2024-166691 光アンテナおよび光アンテナアレイ

(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】P2024166691

(43)【公開日】2024-11-29

(54)【発明の名称】光アンテナおよび光アンテナアレイ

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/124 20060101AFI20241122BHJP

【ＦＩ】

G02B6/124

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023082979

(22)【出願日】2023-05-19

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】520124752

【氏名又は名称】株式会社ミライズテクノロジーズ

(74)【代理人】

【識別番号】110001128

【氏名又は名称】弁理士法人ゆうあい特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】鎌田 裕樹

(72)【発明者】

【氏名】小田 敏宏

【テーマコード（参考）】

2H147

【Ｆターム（参考）】

2H147AA02

2H147BG04

2H147CA11

2H147CD02

2H147CD11

2H147EA13A

2H147EA13C

2H147EA14A

2H147EA14B

(57)【要約】

【課題】出射効率の高い光アンテナおよび光アンテナアレイを提供する。
【解決手段】光アンテナは、光を伝搬する導波路５０と、導波路５０の延設方向を第１方向とし、第１方向に垂直な方向を第２方向とし、第１方向および第２方向の両方に垂直な方向を第３方向として、第２方向における導波路５０の両側に、第１方向において所定の周期で配置された複数の第１回折格子６１を含む第１回折格子群６０と、第２方向における導波路５０の両側に、第１方向において第１回折格子６１と同じ周期で配置された複数の第２回折格子７１を含む第２回折格子群７０と、を備え、第１方向および第３方向において、第１回折格子６１と第２回折格子７１とは重心位置が互いに異なり、第２方向において、第２回折格子７１は第１回折格子６１よりも導波路５０に近い位置に配置されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光アンテナであって、
光を伝搬する導波路（５０）と、
前記導波路の延設方向を第１方向とし、前記第１方向に垂直な方向を第２方向とし、前記第１方向および前記第２方向の両方に垂直な方向を第３方向として、前記第２方向における前記導波路の両側に、前記第１方向において所定の周期で配置された複数の第１回折格子（６１、６１１、６１２）を含む第１回折格子群（６０）と、
前記第２方向における前記導波路の両側に、前記第１方向において前記第１回折格子と同じ周期で配置された複数の第２回折格子（７１、７１１、７１２）を含む第２回折格子群（７０）と、を備え、
前記第１方向および前記第３方向において、前記第１回折格子と前記第２回折格子とは重心位置が互いに異なり、
前記第２方向において、前記第２回折格子は前記第１回折格子よりも前記導波路に近い位置に配置されている光アンテナ。

【請求項2】

前記導波路、前記第１回折格子、前記第２回折格子は、基板（２０）上に積層された複数の膜の一部で構成されており、
前記第１回折格子は、前記導波路と同じ階層の膜で構成されており、
前記第２回折格子は、前記導波路と異なる階層の膜で構成されている請求項１に記載の光アンテナ。

【請求項3】

前記第２回折格子の重心位置は、前記導波路に対して前記第３方向の上部にある請求項１に記載の光アンテナ。

【請求項4】

前記導波路、前記第１回折格子、前記第２回折格子は、互いに離された状態で配置されている請求項１に記載の光アンテナ。

【請求項5】

前記第２回折格子は、前記導波路および前記第１回折格子よりも屈折率が低い材料で構成されている請求項１に記載の光アンテナ。

【請求項6】

前記導波路および前記第１回折格子はシリコンで構成されており、
前記第２回折格子は窒化シリコンで構成されている請求項５に記載の光アンテナ。

【請求項7】

前記導波路に対して前記第２方向の一方側に配置された前記第１回折格子を第１一方側回折格子（６１１）とし、
前記導波路に対して前記第２方向の他方側に配置された前記第１回折格子を第１他方側回折格子（６１２）とし、
前記導波路に対して前記第２方向の一方側に配置された前記第２回折格子を第２一方側回折格子（７１１）とし、
前記導波路に対して前記第２方向の他方側に配置された前記第２回折格子を第２他方側回折格子（７１２）として、
複数の前記第１他方側回折格子は、複数の前記第１一方側回折格子に対して、前記第１方向にオフセットされて配置されており、
複数の前記第２他方側回折格子は、複数の前記第２一方側回折格子に対して、前記第１方向にオフセットされて配置されており、
前記第１一方側回折格子に対する前記第１他方側回折格子のオフセットの量は、前記第２一方側回折格子に対する前記第２他方側回折格子のオフセットの量と等しい請求項１に記載の光アンテナ。

【請求項8】

前記第１一方側回折格子に対する前記第１他方側回折格子のオフセットの量、および、前記第２一方側回折格子に対する前記第２他方側回折格子のオフセットの量は、前記第１方向における前記第１回折格子および前記第２回折格子の周期の半分である請求項７に記載の光アンテナ。

【請求項9】

光アンテナアレイであって、
請求項１ないし８のいずれか１つに記載の光アンテナ（１０、１１、１２、１３）を複数備える光アンテナアレイ。

【請求項10】

該複数の光アンテナのうち少なくとも２つの光アンテナは、前記第１回折格子を共有する請求項９に記載の光アンテナアレイ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光アンテナおよび光アンテナアレイに関するものである。

【背景技術】

【0002】

ＬｉＤＡＲ（Light Detection And Ranging）等に用いられる光走査装置は、光源と、光源の出力光を伝搬する導波路と、光を導波路の外部に射出する光アンテナとを備える。光アンテナは、基板と、基板に積層された下側クラッド層および上側クラッド層とを備え、下側クラッド層と上側クラッド層との間に導波路が配置された多層構造とされている。ＬｉＤＡＲでは、このような光アンテナを複数並べた光アンテナアレイを用いて、光の射出方向を調整する。

【0003】

例えば特許文献１に記載の光アンテナは、導波路と、導波路の両側に配置された回折格子を備えており、この回折格子から光を射出する。回折格子は導波路と同じ層で構成されており、このような構成では、光アンテナの製造の簡易化を図ることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２１－１７３９９２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

光アンテナの主な特性指標として上面出射率が用いられるが、特許文献１に記載の光アンテナでは、導波路と回折格子の周囲が厚さ方向の上下に対称な構造とされているため、上面と下面に等量の光が射出され、出射効率が低くなる。

【0006】

本開示は上記点に鑑みて、出射効率の高い光アンテナおよび光アンテナアレイを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するため、本開示の１つの観点によれば、光アンテナは、光を伝搬する導波路（５０）と、導波路の延設方向を第１方向とし、第１方向に垂直な方向を第２方向とし、第１方向および第２方向の両方に垂直な方向を第３方向として、第２方向における導波路の両側に、第１方向において所定の周期で配置された複数の第１回折格子（６１、６１１、６１２）を含む第１回折格子群（６０）と、第２方向における導波路の両側に、第１方向において第１回折格子と同じ周期で配置された複数の第２回折格子（７１、７１１、７１２）を含む第２回折格子群（７０）と、を備え、第１方向および第３方向において、第１回折格子と第２回折格子とは重心位置が互いに異なり、第２方向において、第２回折格子は第１回折格子よりも導波路に近い位置に配置されている。

【0008】

これによれば、第１回折格子と第２回折格子を同じ電界強度の場所に配置することが可能となり、第１回折格子と第２回折格子の射出光の光量を等しくすることができる。また、第３方向の一方側における第１回折格子と第２回折格子の射出光の位相を等しくすることができる。また、第３方向の他方側における第１回折格子と第２回折格子の射出光の位相を逆位相とすることができる。このように、第３方向の一方側では第１回折格子と第２回折格子の射出光の光量と位相を揃えることにより、これらの射出光が効率よく強め合うようになる。一方、第３方向の他方側では第１回折格子と第２回折格子の射出光の位相を逆位相とすることにより、これらの射出光が弱め合うようになる。これにより、第３方向の一方側への出射効率を向上させることができる。

【0009】

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１実施形態にかかる光アンテナの上面図である。

【図2】図１のII－II断面図である。

【図3】図１のIII部分の拡大図である。

【図4】図２のIV部分の拡大図である。

【図5】図１のV－V断面図である。

【図6】比較例の上面図である。

【図7】図６のVII－VII断面図である。

【図8】第１実施形態のＦＦＰ（Far Field Pattern）である。

【図9】第１実施形態のビーム形状を示す斜視図である。

【図10】第２実施形態にかかる光アンテナの断面図であって、図２に相当する図である。

【図11】第２実施形態のＦＦＰである。

【図12】第３実施形態にかかる光アンテナの上面図である。

【図13】第３実施形態のＦＦＰである。

【図14】第３実施形態のビーム形状を示す斜視図である。

【図15】第４実施形態にかかる光アンテナアレイの上面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本開示の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

【0012】

（第１実施形態）
第１実施形態について説明する。図１に示す本実施形態の光アンテナ１０は、例えばレーザレーダやＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）式のＬｉＤＡＲ等に適用される。

【0013】

図１、図２に示すように、光アンテナ１０は、基板２０と、基板２０上に積層されたクラッド層３０、コア層４０とを備えている。また、光アンテナ１０は導波路５０、第１回折格子群６０、第２回折格子群７０を備えており、導波路５０、第１回折格子群６０、第２回折格子群７０はコア層４０の一部で構成されている。なお、図１ではクラッド層３０の図示を省略している。

【0014】

基板２０の上面に平行な一方向をＸ方向とし、基板２０の上面に平行でＸ方向に垂直な方向をＹ方向とする。Ｘ方向、Ｙ方向の両方に垂直な方向をＺ方向とする。Ｘ方向は、導波路５０の延設方向であり、Ｙ方向は、導波路５０の幅方向である。Ｚ方向は、クラッド層３０、コア層４０の積層方向であるとともに、導波路５０の厚さ方向である。Ｘ方向は第１方向に相当し、Ｙ方向は第２方向に相当し、Ｚ方向は第３方向に相当する。

【0015】

基板２０は、シリコン（Ｓｉ）等で構成されている。クラッド層３０は、それぞれシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）等の絶縁膜とされた第１クラッド層３１、第２クラッド層３２、第３クラッド層３３を備えており、第１クラッド層３１、第２クラッド層３２、第３クラッド層３３は基板２０の上面に順に積層されている。

【0016】

コア層４０は、それぞれＳｉ膜で構成された第１コア層４１、第２コア層４２を備えている。第１コア層４１は第１クラッド層３１の上面に積層されており、所定の形状にパターニングされている。第２クラッド層３２は、第１コア層４１から露出した第１クラッド層３１の上面と、第１コア層４１とを覆うように形成されている。第２コア層４２は第２クラッド層３２の上面に積層されており、所定の形状にパターニングされている。第３クラッド層３３は、第２コア層４２から露出した第２クラッド層３２の上面と、第２コア層４２とを覆うように形成されている。

【0017】

このように、光アンテナ１０は、基板２０上に積層された複数の膜を備える多層構造とされている。そして、第１回折格子群６０は導波路５０と同じ階層の膜で構成されており、第２回折格子群７０は導波路５０とは異なる階層の膜で構成されている。

【0018】

具体的には、第１コア層４１は、Ｘ方向に延設された直線状の部分を含むようにパターニングされており、この直線状の部分で導波路５０が構成されている。導波路５０は、光アンテナ１０に入力された光を伝搬するものである。

【0019】

また、第１コア層４１は、Ｙ方向において導波路５０の両側に配置された複数の矩形板状の部分を含むようにパターニングされており、この複数の矩形板状の部分で第１回折格子群６０が構成されている。第１回折格子群６０は、導波路５０を伝搬する光を導波路５０の外部に射出するためのものである。

【0020】

第１回折格子群６０を構成する複数の矩形板状の部分を、それぞれ第１回折格子６１とする。第１回折格子６１の上面は、Ｘ方向に平行な２辺と、Ｙ方向に平行な２辺とを有する矩形状とされている。複数の第１回折格子６１のうち、導波路５０に対してＹ方向の一方側に配置された第１回折格子６１を第１回折格子６１１とし、導波路５０に対してＹ方向の他方側に配置された第１回折格子６１を第１回折格子６１２とする。第１回折格子６１１、６１２は、それぞれ第１一方側回折格子、第１他方側回折格子に相当する。第１回折格子６１１、６１２は、導波路５０とは離された状態で配置されている。

【0021】

第１回折格子６１１は、Ｘ方向において一定のピッチで周期的に並んでいる。第１回折格子６１２は、Ｘ方向において第１回折格子６１１と同じピッチで周期的に並んでいる。第１回折格子群６０では、１つの第１回折格子６１１と１つの第１回折格子６１２とで構成された第１回折格子対６２が複数配置されている。そして、各第１回折格子対６２において、第１回折格子６１１と第１回折格子６１２は、導波路５０を挟んで対向するように、Ｘ方向の同じ位置に配置されている。

【0022】

第２コア層４２は、Ｙ方向において導波路５０の両側に配置された複数の矩形板状の部分を含むようにパターニングされており、この複数の矩形板状の部分で第２回折格子群７０が構成されている。第２回折格子群７０は、導波路５０を伝搬する光を導波路５０の外部に射出するためのものである。

【0023】

第２回折格子群７０を構成する複数の矩形板状の部分を、それぞれ第２回折格子７１とする。第２回折格子７１の上面は、Ｘ方向に平行な２辺と、Ｙ方向に平行な２辺とを有する矩形状とされている。複数の第２回折格子７１のうち、導波路５０に対してＹ方向の一方側に配置された第２回折格子７１を第２回折格子７１１とし、導波路５０に対してＹ方向の他方側に配置された第２回折格子７１を第２回折格子７１２とする。第２回折格子７１１、７１２は、それぞれ第２一方側回折格子、第２他方側回折格子に相当する。

【0024】

第２回折格子７１１、７１２を構成する第２コア層４２と、導波路５０、第１回折格子６１１、６１２を構成する第１コア層４１との間には、第２クラッド層３２が配置されている。そのため、第２回折格子７１１、７１２は、導波路５０、第１回折格子６１１、６１２とは離された状態で配置されている。

【0025】

第２回折格子７１１は、Ｘ方向において一定のピッチで周期的に並んでいる。第２回折格子７１２は、Ｘ方向において第２回折格子７１１と同じピッチで周期的に並んでいる。第２回折格子群７０では、１つの第２回折格子７１１と１つの第２回折格子７１２とで構成された第２回折格子対７２が複数配置されている。そして、各第２回折格子対７２において、第２回折格子７１１と第２回折格子７１２は、導波路５０を挟んで対向するように、Ｘ方向の同じ位置に配置されている。

【0026】

図３、図４に示すように、第１回折格子６１、第２回折格子７１のＸ方向のピッチをそれぞれｐ１、ｐ２とする。第１回折格子６１のＸ方向、Ｙ方向の幅をそれぞれｗｘ１、ｗｙ１とし、第１回折格子６１の厚さすなわちＺ方向の幅をｔ１とし、Ｙ方向における第１回折格子６１の中心と導波路５０の側面との距離をｄ１とする。第２回折格子７１のＸ方向、Ｙ方向の幅をそれぞれｗｘ２、ｗｙ２とし、第２回折格子７１の厚さをｔ２とし、Ｙ方向における第２回折格子７１の中心と導波路５０の側面との距離をｄ２とする。導波路５０および第１回折格子６１と第２回折格子７１とのＺ方向の距離をｄ３とし、導波路５０のＹ方向の幅をｗｙ３とし、導波路５０の厚さをｔ３とし、Ｘ方向における第１回折格子６１の中心と第２回折格子７１の中心との距離をｄ４とする。

【0027】

本実施形態では、ｐ１＝ｐ２とされている。すなわち、第１回折格子６１と第２回折格子７１はＸ方向において同じ周期で配置されている。しかしながら、第１回折格子６１と第２回折格子７１はＸ方向において重心位置が互いに異なり、第２回折格子対７２は第１回折格子対６２に対してＸ方向の一方側にずれた位置に配置されている。

【0028】

また、第１回折格子６１と第２回折格子７１はＹ方向において重心位置が互いに異なり、Ｙ方向において第２回折格子７１は第１回折格子６１よりも導波路５０に近い位置に配置されている。

【0029】

また、第１回折格子６１と第２回折格子７１はＺ方向において重心位置が互いに異なり、第２回折格子７１を第１コア層４１の上部にある第２コア層４２の一部で構成することにより、第２回折格子７１の重心位置は導波路５０に対してＺ方向の上部に位置している。

【0030】

光アンテナ１０をＬｉＤＡＲに用いる際には、図示しない光源を光アンテナ１０に接続し、光源からの光が導波路５０に入力されるようにする。これにより、導波路５０に入力された光が第１回折格子群６０、第２回折格子群７０から光アンテナ１０の外部に射出される。そして、ＬｉＤＡＲの検知範囲に物体がある場合には、物体による反射光を受光素子で受信し、これにより生成された受信信号を解析することにより、物体が検出される。

【0031】

このように光アンテナ１０を用いる場合には、物体を精度よく検出するために、射出光の強度が高いことが望ましい。本実施形態では、第１回折格子群６０が射出する光と、第２回折格子群７０が射出する光とが互いに強め合い、光アンテナ１０全体での上方への射出光の光量が大きくなるように、第１回折格子群６０と第２回折格子群７０が配置されている。

【0032】

具体的には、第１回折格子６１と第２回折格子７１は、０次モードすなわち基本モードの光が導波路５０を伝搬したときに、第１回折格子６１の位置での電界強度と第２回折格子７１の位置での電界強度が等しくなるように配置されている。

【0033】

０次モードの光が導波路５０を伝搬すると、導波路５０の周囲の電界強度は図５に示すようになる。すなわち、導波路５０の周囲に同心楕円状の等高線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が描かれるように電界強度が分布する。そして、第１回折格子６１と第２回折格子７１は、同じ電界強度の等高線Ｌ３上に配置されている。なお、図５では基板２０の図示を省略している。

【0034】

このように、第１回折格子６１と第２回折格子７１とを同じ電界強度の場所に配置すると、第１回折格子群６０の射出光と第２回折格子群７０の射出光との強度が等しくなるため、これらの射出光が強め合う効果が高くなる。

【0035】

また、Ｘ方向、Ｚ方向における第１回折格子６１、第２回折格子７１の位置は、Ｚ方向の一方側で第１回折格子群６０の射出光と第２回折格子群７０の射出光との位相が等しくなり、他方側でこれらの射出光の位相が逆位相となるように設定されている。

【0036】

具体的には、光が導波路５０のうち第１回折格子６１付近を伝搬するタイミングと第２回折格子７１付近を伝搬するタイミングとの差により、第１回折格子群６０、第２回折格子群７０の射出光に位相差が生じる。また、Ｚ方向における第１回折格子６１と第２回折格子７１との距離により、第１回折格子群６０、第２回折格子群７０の射出光に位相差が生じる。第１回折格子６１、第２回折格子７１は、Ｚ方向の上部においてこれらの位相差が互いにキャンセルされるように配置されている。なお、このように第１回折格子６１と第２回折格子７１を配置することにより、Ｚ方向の下部においては、これらの射出光の位相が逆位相となる。

【0037】

このように、Ｚ方向の上部において第１回折格子群６０の射出光と第２回折格子群７０の射出光との位相を揃え、Ｚ方向の下部においてこれらの射出光の位相を逆位相とすることにより、これらの射出光が光アンテナ１０の上部において強め合う効果が高くなる。

【0038】

なお、理論的には第１回折格子６１、第２回折格子７１がＸ方向、Ｚ方向にそれぞれ入力光の１／４波長分ずれていれば射出光の位相が揃うが、実際にはシミュレーションによって位相が揃う位置を調べることができる。また、前述した他の寸法や位置についても、射出光が効率的に強め合う数値をシミュレーションによって調べることができる。

【0039】

本発明者らが行ったシミュレーションでは、導波路５０、第１回折格子６１、第２回折格子７１の寸法等を例えば以下のように設定した場合に、上面への出射効率が高くなった。すなわち、ｗｘ１＝２００ｎｍ、ｗｙ１＝２００ｎｍ、ｐ１＝６３０ｎｍ、ｔ１＝２１０ｎｍ、ｄ１＝４２５ｎｍである。また、ｗｘ２＝２００ｎｍ、ｗｙ２＝２００ｎｍ、ｐ２＝６３０ｎｍ、ｔ２＝２１０ｎｍ、ｄ２＝２８０ｎｍである。また、ｄ３＝５０ｎｍ、ｗｙ３＝４８０ｎｍ、ｔ３＝２１０ｎｍ、ｄ４＝１５５ｎｍである。

【0040】

なお、上面への出射効率は、上面出射率を用いて評価した。上面出射率は、上面方向の射出光の強度Ｐｕｐと、下面方向の射出光の強度Ｐｄｏｗｎの合計に対する強度Ｐｕｐの割合であり、Ｐｕｐ／（Ｐｕｐ＋Ｐｄｏｗｎ）で求められる。第１回折格子６１等の寸法を上記のように設定した場合には、上面出射率は０．９６となった。

【0041】

図６、図７に示す比較例では、第２回折格子群７０が形成されておらず、回折格子が導波路５０と同層の第１回折格子群６０のみとされている。これにより、導波路５０周辺の断面図が直線Ｌ４で示す水平面に対して上下対称になっているため、上面と下面に等量の光が射出され、上面出射率は０．５０となる。このように、本実施形態では上面への出射効率が比較例よりも高くなっている。

【0042】

なお、本実施形態における射出光のビーム形状は、図８、図９に示すようになる。すなわち、射出光はＹ方向の両側に広がる一方で、Ｘ方向には傾斜せず、ＹＺ平面に沿って上方に放射される。そして、射出光はＹ方向の一方側と他方側とにピークを有する。すなわち、射出光は２つのピークを有するビーム形状となる。なお、図８では、光強度の数値を最大値で正規化している。また、図９では、ビームの放射領域が領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の３つに分かれており、領域Ｒ１～Ｒ３のうち中央の領域Ｒ２に対してＹ方向の両側に位置する領域Ｒ１、Ｒ３の光量が多いことをハッチングで示している。また、図９では基板２０、クラッド層３０の図示を省略している。このようなビーム形状は、例えばＬｉＤＡＲの走査角度を大きくしたい場合や、同時に２方向の物体を検出したい場合等に有利である。

【0043】

以上説明したように、本実施形態では、Ｙ方向における導波路５０の両側に、Ｘ方向において第１回折格子６１と同じ周期で第２回折格子７１が配置されている。そして、Ｘ方向およびＺ方向において第１回折格子６１と第２回折格子７１との重心位置が互いに異なり、Ｙ方向において第２回折格子７１は第１回折格子６１よりも導波路５０に近い位置に配置されている。

【0044】

これにより、第１回折格子６１と第２回折格子７１を同じ電界強度の場所に配置することが可能となり、第１回折格子６１と第２回折格子７１の射出光の光量を等しくすることができる。また、Ｚ方向の一方側における第１回折格子６１と第２回折格子７１の射出光の位相を等しくすることができる。また、Ｚ方向の他方側における第１回折格子６１と第２回折格子７１の射出光の位相を逆位相とすることができる。そして、Ｚ方向の一方側では第１回折格子６１と第２回折格子７１の射出光の光量と位相を揃え、他方側ではこれらの射出光を逆位相とすることにより、Ｚ方向の一方側でこれらの射出光が効率よく強め合うようになり、出射効率を向上させることができる。

【0045】

また、上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。

【0046】

（１）導波路５０、第１回折格子６１、第２回折格子７１は、基板２０上に積層された複数の膜の一部で構成されている。そして、第１回折格子６１は、導波路５０と同じ階層の膜である第１コア層４１で構成されており、第２回折格子７１は、導波路５０とは異なる階層の膜である第２コア層４２で構成されている。これによれば、第１コア層４１と第２コア層４２の２層で導波路５０、第１回折格子群６０、第２回折格子群７０を構成することができるため、光アンテナ１０の製造が容易になる。

【0047】

（２）第２回折格子７１の重心位置は、導波路５０に対してＺ方向の上部にある。Ｘ方向、Ｙ方向において上記のように第１回折格子６１、第２回折格子７１を配置し、第２回折格子７１を導波路５０に対してＺ方向の上部に配置することで、Ｚ方向の上部において第１回折格子６１と第２回折格子７１の射出光の位相を等しくすることができる。したがって、上面への出射効率を向上させることができる。また、第２回折格子７１を導波路５０および第１回折格子６１の下部に形成する場合に比べて、光アンテナ１０の製造が容易になる。

【0048】

（３）第１回折格子６１と第２回折格子７１は同じ材料で構成されている。これによれば、第１回折格子６１と第２回折格子７１を同様の半導体プロセスで形成することができるため、光アンテナ１０の製造が容易になる。

【0049】

（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して第２回折格子７１の材料を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

【0050】

本実施形態の第２回折格子７１は、導波路５０および第１回折格子６１よりも屈折率が低い材料で構成されている。具体的には、本実施形態の第２コア層４２は窒化シリコン（ＳｉＮ）で構成されている。すなわち、導波路５０、第１回折格子６１がＳｉで構成されているのに対し、第２回折格子７１はＳｉよりも屈折率が低いＳｉＮで構成されている。

【0051】

第２回折格子群７０の屈折率を第１回折格子群６０の屈折率よりも低くすることにより、第２回折格子群７０から光が射出されにくくなる。そのため、本実施形態では、第１回折格子群６０の射出光と第２回折格子群７０の射出光の光量を揃えるために、図１０に示すように、第２回折格子７１の厚さ、すなわち、第２コア層４２の厚さは、第１実施形態よりも大きくされている。また、第２回折格子７１の厚さは、導波路５０の厚さおよび第１回折格子６１の厚さよりも大きくされている。

【0052】

本実施形態においても、シミュレーションによって上面出射率の高い寸法を調べることができる。本発明者らが行ったシミュレーションでは、導波路５０、第１回折格子６１、第２回折格子７１の寸法等を例えば以下のように設定した場合に、上面への出射効率が高くなった。すなわち、ｗｘ１＝２２０ｎｍ、ｗｙ１＝２００ｎｍ、ｐ１＝６３０ｎｍ、ｔ１＝２１０ｎｍ、ｄ１＝４５０ｎｍである。また、ｗｘ２＝３２５ｎｍ、ｗｙ２＝４００ｎｍ、ｐ２＝６３０ｎｍ、ｔ２＝３００ｎｍ、ｄ２＝２６５ｎｍである。また、ｄ３＝５０ｎｍ、ｗｙ３＝４８０ｎｍ、ｔ３＝２１０ｎｍ、ｄ４＝１１５ｎｍである。第１回折格子６１の寸法等を上記のように設定した場合には、上面出射率は０．９３となり、第１実施形態の比較例よりも高くなった。

【0053】

なお、本実施形態においても、図１１に示すように、２つのピークを有するビーム形状が得られた。

【0054】

本実施形態は、第１実施形態と同様の構成および作動からは第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0055】

また、上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。

【0056】

（１）第２回折格子７１は、導波路５０および第１回折格子６１よりも屈折率が低い材料で構成されている。これによれば、第１回折格子群６０に比べて第２回折格子群７０から光が射出されにくくなるため、第２回折格子７１を第１回折格子６１より厚く形成しても第１回折格子群６０の射出光と第２回折格子群７０の射出光の光量を揃えることができる。そして、第２回折格子７１の厚さを大きくすることにより、第２回折格子７１を薄く形成する場合に比べて、第２回折格子７１の形成が容易になる。また、第２コア層４２のパターニングに用いる露光装置等に要求される解像度が低くなるため、圧電素子の製造コストを低減することができる。

【0057】

（第３実施形態）
第３実施形態について説明する。本実施形態は、第２実施形態に対して第１回折格子６１２、第２回折格子７１２の位置を変更したものであり、その他については第２実施形態と同様であるため、第２実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

【0058】

図１２に示すように、本実施形態では、複数の第１回折格子６１２は、複数の第１回折格子６１１に対して、Ｘ方向においてオフセットされて配置されている。また、複数の第２回折格子７１２は、複数の第２回折格子７１１に対して、Ｘ方向においてオフセットされて配置されている。

【0059】

第１回折格子６１１に対する第１回折格子６１２のオフセットの量は、第２回折格子７１１に対する第２回折格子７１２のオフセットの量と等しい。具体的には、第１回折格子６１１に対する第１回折格子６１２のオフセットの量、および、第２回折格子７１１に対する第２回折格子７１２のオフセットの量は、Ｘ方向における第１回折格子６１および第２回折格子７１の周期の半分とされている。

【0060】

本実施形態においても、シミュレーションによって上面出射率の高い寸法を調べることができる。本実施形態では、距離ｄ１、ｄ２を第１、第２実施形態よりも小さくした場合に、上面への出射効率が高くなった。具体的には、導波路５０、第１回折格子６１、第２回折格子７１の寸法等を例えば以下のように設定した場合に、上面への出射効率が高くなった。すなわち、ｗｘ１＝２００ｎｍ、ｗｙ１＝３００ｎｍ、ｐ１＝６３０ｎｍ、ｔ１＝２１０ｎｍ、ｄ１＝３７５ｎｍである。また、ｗｘ２＝３６５ｎｍ、ｗｙ２＝４００ｎｍ、ｐ２＝６３０ｎｍ、ｔ２＝３００ｎｍ、ｄ２＝１６５ｎｍである。また、ｄ３＝５０ｎｍ、ｗｙ３＝６５０ｎｍ、ｔ３＝２１０ｎｍ、ｄ４＝１３０ｎｍである。第１回折格子６１の寸法等を上記のように設定した場合には、上面出射率は０．９１となり、第１実施形態の比較例よりも高くなった。

【0061】

このように第１回折格子６１１、６１２、第２回折格子７１１、７１２を配置すると、導波路５０のＹ方向の両側から射出される光の位相がずれてＹ方向の中央部で強め合うようになり、図１３、図１４に示すように、１つのピークを有するビーム形状が得られる。すなわち、射出光はＹ方向の両側に広がる一方で、Ｘ方向には傾斜せず、ＹＺ平面に沿って上方に放射される。そして、射出光はＹ方向の中央部である領域Ｒ２にピークを有する。このような１つのピークを有するビーム形状が得られる構成では、光アンテナ１０が使いやすくなる。また、強度の高い射出光が得られる。

【0062】

本実施形態は、第１、第２実施形態と同様の構成および作動からは第１、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0063】

また、上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。

【0064】

（１）複数の第１回折格子６１２は、複数の第１回折格子６１１に対して、Ｘ方向においてオフセットされて配置されている。また、複数の第２回折格子７１２は、複数の第２回折格子７１１に対して、Ｘ方向においてオフセットされて配置されている。そして、第１回折格子６１１に対する第１回折格子６１２のオフセットの量は、第２回折格子７１１に対する第２回折格子７１２のオフセットの量と等しい。これによれば、第１回折格子６１２、第２回折格子７１２をオフセットさせるだけで１つのピークを有するビーム形状を得られるので、簡易な方法で射出光の強度を高めることができる。

【0065】

（２）第１回折格子６１１に対する第１回折格子６１２のオフセットの量、および、第２回折格子７１１に対する第２回折格子７１２のオフセットの量は、Ｘ方向における第１回折格子６１および第２回折格子７１の周期の半分とされている。これによれば、領域Ｒ２において第１回折格子６１１、第２回折格子７１１からの射出光と第１回折格子６１２、第２回折格子７１２からの射出光とが効率的に強め合うため、射出光の強度をさらに高めることができる。

【0066】

（第４実施形態）
第４実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して光アンテナ１０の数を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

【0067】

図１５に示す光アンテナアレイ８０は、複数の光アンテナ１０で構成されたものである。本実施形態では、一例として光アンテナアレイ８０が３つの光アンテナ１０を備える場合について説明する。３つの光アンテナ１０をそれぞれ光アンテナ１１、１２、１３とする。

【0068】

光アンテナ１１～１３が備える導波路５０はＹ方向の一方側から順に並んでいる。そして、光アンテナ１１の第１回折格子６１２、第２回折格子７１２と光アンテナ１２の第１回折格子６１１、第２回折格子７１１は光アンテナ１１の導波路５０と光アンテナ１２の導波路５０との間に配置されている。また、光アンテナ１２の第１回折格子６１２、第２回折格子７１２と光アンテナ１３の第１回折格子６１１、第２回折格子７１１は光アンテナ１２の導波路５０と光アンテナ１３の導波路５０との間に配置されている。

【0069】

光アンテナアレイ８０が備える複数の光アンテナ１０のうち少なくとも２つの光アンテナ１０は、第１回折格子６１を共有する。具体的には、この２つの光アンテナ１０は、隣接する２つの導波路５０の間に配置された第１回折格子群６０を共有する。隣接する２つの導波路５０の間において、第１回折格子群６０は、Ｘ方向に１列に並んだ複数の第１回折格子６１で構成されている。この第１回折格子６１は、隣接する２つの光アンテナ１０のうち一方の第１回折格子６１１であるとともに、他方の第１回折格子６１２である。

【0070】

隣接する２つの導波路５０の間に配置された第２回折格子群７０は、隣接する２つの光アンテナ１０で共有されず、分離されている。上記の１列に並んだ第１回折格子６１に対してＹ方向の一方側には第２回折格子７１２が配置されており、第１回折格子６１に対してＹ方向の他方側には第２回折格子７１１が配置されている。

【0071】

本実施形態では、光アンテナ１１と光アンテナ１２とが第１回折格子６１を共有し、光アンテナ１２と光アンテナ１３とが第１回折格子６１を共有する。

【0072】

すなわち、光アンテナ１１の導波路５０と光アンテナ１２の導波路５０との間に配置された第１回折格子６１は、光アンテナ１１の第１回折格子６１２であるとともに、光アンテナ１２の第１回折格子６１１である。また、光アンテナ１２の導波路５０と光アンテナ１３の導波路５０との間に配置された第１回折格子６１は、光アンテナ１２の第１回折格子６１２であるとともに、光アンテナ１３の第１回折格子６１１である。

【0073】

光アンテナアレイ８０をＬｉＤＡＲに用いる際には、図示しない光源を複数に分岐する導波路を介して光アンテナアレイ８０に接続し、光源から出力された光が光アンテナ１１～１３の導波路５０に入力されるようにする。そして、分岐した各導波路に位相シフタを配置し、光アンテナ１１～１３に入力される光の位相を調整することにより、光アンテナアレイ８０全体から射出される光の方向を制御する。

【0074】

本実施形態は、第１実施形態と同様の構成および作動からは第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0075】

また、上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。

【0076】

（１）光アンテナアレイ８０は、光アンテナ１０を複数備える。これによれば、光アンテナアレイ８０において、出射効率を向上させることができる。

【0077】

（２）複数の光アンテナ１０のうち少なくとも２つの光アンテナ１０は、第１回折格子６１を共有する。これによれば、光アンテナアレイ８０の製造が容易になるとともに、光アンテナ１０を狭ピッチで配置し、光アンテナアレイ８０を小型化することができる。

【0078】

（他の実施形態）
なお、本開示は上記した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。

【0079】

第２回折格子群７０が導波路５０および第１回折格子群６０の下部に配置されていてもよい。例えば、第２回折格子群７０を構成する第２コア層４２が第１クラッド層３１の上面に形成され、導波路５０および第１回折格子群６０を構成する第１コア層４１が第２クラッド層３２の上面に形成されていてもよい。このような構成においても、第１回折格子６１と第２回折格子７１の上方への射出光の光量と位相を揃えることにより、基板２０の上面への出射効率を向上させることができる。

【0080】

上記実施形態では０次モードの光について説明したが、１次モード以上の光についても、電界強度分布を考慮して第１回折格子群６０、第２回折格子群７０を配置することにより、出射効率を向上させることができる。

【0081】

第１実施形態において第３実施形態のように第１回折格子６１２、第２回折格子７１２のオフセットを設けてもよい。第２、第３実施形態の光アンテナ１０を用いて第４実施形態の光アンテナアレイ８０を構成してもよい。

【0082】

導波路５０が直線状ではなく曲がった形状とされていてもよい。

【0083】

（本開示の観点）
［第１の観点］
光アンテナであって、
光を伝搬する導波路（５０）と、
前記導波路の延設方向を第１方向とし、前記第１方向に垂直な方向を第２方向とし、前記第１方向および前記第２方向の両方に垂直な方向を第３方向として、前記第２方向における前記導波路の両側に、前記第１方向において所定の周期で配置された複数の第１回折格子（６１、６１１、６１２）を含む第１回折格子群（６０）と、
前記第２方向における前記導波路の両側に、前記第１方向において前記第１回折格子と同じ周期で配置された複数の第２回折格子（７１、７１１、７１２）を含む第２回折格子群（７０）と、を備え、
前記第１方向および前記第３方向において、前記第１回折格子と前記第２回折格子とは重心位置が互いに異なり、
前記第２方向において、前記第２回折格子は前記第１回折格子よりも前記導波路に近い位置に配置されている光アンテナ。
［第２の観点］
前記導波路、前記第１回折格子、前記第２回折格子は、基板（２０）上に積層された複数の膜の一部で構成されており、
前記第１回折格子は、前記導波路と同じ階層の膜で構成されており、
前記第２回折格子は、前記導波路と異なる階層の膜で構成されている第１の観点に記載の光アンテナ。
［第３の観点］
前記第２回折格子の重心位置は、前記導波路に対して前記第３方向の上部にある第１または第２の観点に記載の光アンテナ。
［第４の観点］
前記導波路、前記第１回折格子、前記第２回折格子は、互いに離された状態で配置されている第１ないし第３の観点のいずれか１つに記載の光アンテナ。
［第５の観点］
前記第２回折格子は、前記導波路および前記第１回折格子よりも屈折率が低い材料で構成されている第１ないし第４の観点のいずれか１つに記載の光アンテナ。
［第６の観点］
前記導波路および前記第１回折格子はシリコンで構成されており、
前記第２回折格子は窒化シリコンで構成されている第５の観点に記載の光アンテナ。
［第７の観点］
前記導波路に対して前記第２方向の一方側に配置された前記第１回折格子を第１一方側回折格子（６１１）とし、
前記導波路に対して前記第２方向の他方側に配置された前記第１回折格子を第１他方側回折格子（６１２）とし、
前記導波路に対して前記第２方向の一方側に配置された前記第２回折格子を第２一方側回折格子（７１１）とし、
前記導波路に対して前記第２方向の他方側に配置された前記第２回折格子を第２他方側回折格子（７１２）として、
複数の前記第１他方側回折格子は、複数の前記第１一方側回折格子に対して、前記第１方向にオフセットされて配置されており、
複数の前記第２他方側回折格子は、複数の前記第２一方側回折格子に対して、前記第１方向にオフセットされて配置されており、
前記第１一方側回折格子に対する前記第１他方側回折格子のオフセットの量は、前記第２一方側回折格子に対する前記第２他方側回折格子のオフセットの量と等しい第１ないし第６の観点のいずれか１つに記載の光アンテナ。
［第８の観点］
前記第１一方側回折格子に対する前記第１他方側回折格子のオフセットの量、および、前記第２一方側回折格子に対する前記第２他方側回折格子のオフセットの量は、前記第１方向における前記第１回折格子および前記第２回折格子の周期の半分である第７の観点に記載の光アンテナ。
［第９の観点］
光アンテナアレイであって、
第１ないし第８の観点のいずれか１つに記載の光アンテナ（１０、１１、１２、１３）を複数備える光アンテナアレイ。
［第１０の観点］
該複数の光アンテナのうち少なくとも２つの光アンテナは、前記第１回折格子を共有する第９の観点に記載の光アンテナアレイ。

【符号の説明】

【0084】

５０ 導波路
６０ 第１回折格子群
６１、６１１、６１２ 第１回折格子
７０ 第２回折格子群
７１、７１１、７１２ 第２回折格子

【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】