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(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】
(24)【登録日】2024-05-09
(45)【発行日】2024-05-17
(54)【発明の名称】光デバイスおよび光検出システム
(51)【国際特許分類】
G02F 1/295 20060101AFI20240510BHJP
G02B 6/122 20060101ALI20240510BHJP
【ＦＩ】
G02F1/295
G02B6/122
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2021518328
(86)(22)【出願日】2020-04-14
(86)【国際出願番号】 JP2020016394
(87)【国際公開番号】W WO2020226031
(87)【国際公開日】2020-11-12
【審査請求日】2023-03-07
(31)【優先権主張番号】P 2019089232
(32)【優先日】2019-05-09
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】314012076
【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100101683
【弁理士】
【氏名又は名称】奥田 誠司
(74)【代理人】
【識別番号】100155000
【弁理士】
【氏名又は名称】喜多 修市
(74)【代理人】
【識別番号】100180529
【弁理士】
【氏名又は名称】梶谷 美道
(74)【代理人】
【識別番号】100125922
【弁理士】
【氏名又は名称】三宅 章子
(74)【代理人】
【識別番号】100188813
【弁理士】
【氏名又は名称】川喜田 徹
(74)【代理人】
【識別番号】100184985
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 悠
(74)【代理人】
【識別番号】100202197
【弁理士】
【氏名又は名称】村瀬 成康
(74)【代理人】
【識別番号】100218981
【弁理士】
【氏名又は名称】武田 寛之
(72)【発明者】
【氏名】橋谷 享
(72)【発明者】
【氏名】稲田 安寿
(72)【発明者】
【氏名】江良 正範
【審査官】奥村 政人
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１３－０１６５９１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－０４７８７２（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１２／０２３０３５２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開平１１－０８７７６７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１０－２３３５２８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｆ １／００－ １／１２５
Ｇ０２Ｆ １／２１－ ７／００
Ｇ０２Ｂ ６／１２－ ６／１４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の反射面を有し、第１の方向に沿って延びる第１のミラーと、前記第１の反射面に対向する第２の反射面を有し、前記第１の方向に沿って延びる第２のミラーと、
前記第１のミラーと前記第２のミラーの間に位置し、光を前記第１の方向に沿って伝搬させる光導波層と、
を備え、
前記第１のミラーの透過率は、前記第２のミラーの透過率よりも高く、
前記第１のミラーおよび前記第２のミラーの少なくとも一方の、反射面の法線方向から入射する光に対する反射スペクトルは、反射率が９０％以上である波長域において極大点、および前記極大点よりも長波長側に第１の変曲点および第２の変曲点を含む、
光デバイス。
【請求項2】
前記第１の変曲点の波長は前記第２の変曲点の波長よりも短く、前記光導波層を伝搬する前記光の波長λは、前記極大点以上、前記第１の変曲点以下の波長である、
請求項１に記載の光デバイス。
【請求項3】
前記波長域は、０．８μｍ以上１．２μｍ以下に含まれる、請求項１または２に記載の光デバイス。
【請求項4】
前記第１のミラーおよび前記第２のミラーの少なくとも一方は、積層構造を備える分布ブラッグ反射器を含む、請求項１から３のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項5】
前記分布ブラッグ反射器は、チャープＤＢＲである請求項４に記載の光デバイス。
【請求項6】
前記第１のミラーが前記反射スペクトルを有する、請求項１に記載の光デバイス。
【請求項7】
第１の反射面を有し、第１の方向に沿って延びる第１のミラーと、前記第１の反射面に対向する第２の反射面を有し、前記第１の方向に沿って延びる第２のミラーと、
前記第１のミラーと前記第２のミラーの間に位置し、光を前記第１の方向に沿って伝搬させる光導波層と、
を備え、
前記第１のミラーの透過率は、前記第２のミラーの透過率よりも高く、
前記第１のミラーおよび前記第２のミラーの少なくとも一方の、反射面の法線方向から入射する光に対する反射スペクトルは、反射率が９０％以上である波長域において極大点ＰＬＭ、および前記極大点よりも長波長側に第１の変曲点Ｐ１および第２の変曲点Ｐ２を含み、
前記第１のミラーを介して出射した光が空間をスキャンするように偏向される、
光スキャンデバイス。
【請求項8】
前記スキャンに用いられる波長λが、（ＰＬＭ＋Ｐ１）／２ ＜ λ ＜ Ｐ１
を満たす、請求項７に記載の光スキャンデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、光デバイスおよび光検出システムに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、光で空間を走査（スキャン）できる種々のデバイスが提案されている。
【0003】
特許文献１は、ミラーを回転させる駆動装置を用いて、光によるスキャンを行うことができる構成を開示している。
【0004】
特許文献２は、２次元的に配列された複数のナノフォトニックアンテナ素子を有する光フェーズドアレイを開示している。それぞれのアンテナ素子は可変光遅延線（すなわち、位相シフタ）に光学的に結合される。この光フェーズドアレイでは、コヒーレント光ビームが導波路によってそれぞれのアンテナ素子に誘導され、位相シフタによって光ビームの位相がシフトされる。これにより、遠視野放射パターンの振幅分布を変化させることができる。
【0005】
特許文献３は、内部を光が導波する光導波層、および光導波層の上面および下面に形成された第１分布ブラッグ反射鏡を備える導波路と、導波路内に光を入射させるための光入射口と、光入射口から入射して導波路内を導波する光を出射させるために導波路の表面に形成された光出射口とを備える光偏向素子を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】国際公開第２０１３／１６８２６６号
【文献】特表２０１６－５０８２３５号公報
【文献】特開２０１３－１６５９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本開示の一態様は、比較的簡単な構成で、光によるスキャンを実現し得る新規な光デバイスを提供する。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本開示の一態様に係る光デバイスは、第１の反射面を有し、第１の方向に沿って延びる第１のミラーと、前記第１の反射面に対向する第２の反射面を有し、前記第１の方向に沿って延びる第２のミラーと、前記第１のミラーと前記第２のミラーの間に位置し、光を前記第１の方向に沿って伝搬させる光導波層と、を備え、前記第１のミラーの透過率は、前記第２のミラーの透過率よりも高く、前記第１のミラーおよび前記第２のミラーの少なくとも一方の、反射面の法線方向から入射する光に対する反射スペクトルは、反射率が９０％以上である波長域において極大点、および前記極大点よりも長波長側に第１および第２の変曲点を含む。
【0009】
本開示の包括的または具体的な態様は、デバイス、システム、方法、またはこれらの任意の組み合わせによって実現されてもよい。
【発明の効果】
【0010】
本開示の一態様によれば、比較的簡単な構成で、光による１次元スキャンまたは２次元スキャンを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【発明を実施するための形態】
【0012】
本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。
【0013】
本発明者は、従来の光スキャンデバイスには、装置の構成を複雑にすることなく、光で空間をスキャンすることが困難であるという課題があることを見出した。
【0014】
例えば、特許文献１に開示されている技術では、ミラーを回転させる駆動装置が必要である。このため、装置の構成が複雑になり、振動に対してロバストでないという課題がある。
【0015】
特許文献２に記載の光フェーズドアレイでは、光を分岐して複数の列導波路および複数の行導波路に導入し、２次元的に配列された複数のアンテナ素子に光を誘導する必要がある。このため、光を誘導するための導波路の配線が非常に複雑になる。また、２次元スキャンの範囲を大きくすることができない。さらに、遠視野における出射光の振幅分布を２次元的に変化させるためには、２次元的に配列された複数のアンテナ素子の各々に位相シフタを接続し、位相シフタに位相制御用の配線を取り付ける必要がある。これにより、２次元的に配列された複数のアンテナ素子に入射する光の位相をそれぞれ異なる量変化させる。このため、素子の構成が非常に複雑になる。
【0016】
本発明者は、従来技術における上記の課題に着目し、これらの課題を解決するための構成を検討した。本発明者は、対向する一対のミラーと、それらのミラーに挟まれた光導波層とを有する導波路素子を用いることにより、上記の課題を解決し得ることを見出した。導波路素子における一対のミラーの一方は、他方に比べて高い光透過率を有し、光導波層を伝搬する光の一部を外部に出射させる。出射した光の方向（または出射角度）は、後述するように、光導波層の屈折率もしくは厚さ、または光導波層に入力される光の波長を調整することにより、変化させることができる。より具体的には、屈折率、厚さ、または波長を変化させることにより、出射光の波数ベクトル（ｗａｖｅ ｖｅｃｔｏｒ）の、光導波層の長手方向に沿った方向の成分を変化させることができる。これにより、１次元的なスキャンが実現される。
【0017】
さらに、複数の導波路素子のアレイを用いた場合には、２次元的なスキャンを実現することもできる。より具体的には、複数の導波路素子に供給する光に適切な位相差を与え、その位相差を調整することにより、複数の導波路素子から出射する光が強め合う方向を変化させることができる。位相差の変化により、出射光の波数ベクトルの、光導波層の長手方向に沿った方向に交差する方向の成分が変化する。これにより、２次元的なスキャンを実現することができる。なお、２次元的なスキャンを行う場合でも、複数の光導波層の屈折率、厚さ、または光の波長を異なる量変化させる必要はない。すなわち、複数の光導波層に供給する光に適切な位相差を与え、かつ、複数の光導波層の屈折率、厚さ、および波長の少なくとも１つを同期して同量変化させることにより、２次元的なスキャンを行うことができる。
【0018】
このように、本開示によれば、比較的簡単な構成で、光による１次元または２次元のスキャンを実現することができる。
【0019】
本明細書において、「屈折率、厚さ、および波長の少なくとも１つ」とは、光導波層の屈折率、光導波層の厚さ、および光導波層に入力される波長からなる群から選択される少なくとも１つを意味する。光の出射方向を変化させるために、屈折率、厚さ、および波長のいずれか１つを単独で制御してもよい。あるいは、これらの３つのうちの任意の２つまたは全てを制御して光の出射方向を変化させてもよい。屈折率または厚さの制御に代えて、または加えて、光導波層に入力される光の波長を制御してもよい。
【0020】
以上の基本原理は、光を出射する用途だけでなく、光信号を受信する用途にも同様に適用できる。屈折率、厚さ、および波長の少なくとも１つを変化させることにより、受信できる光の方向を１次元的に変化させることができる。さらに、一方向に配列された複数の導波路素子にそれぞれ接続された複数の位相シフタによって光の位相差を変化させれば、受信できる光の方向を２次元的に変化させることができる。
【0021】
本開示の光スキャンデバイスおよび光受信デバイスは、例えば、ＬｉＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）システムなどの光検出システムにおけるアンテナとして用いられ得る。ＬｉＤＡＲシステムは、ミリ波などの電波を用いたレーダシステムと比較して、短波長の電磁波（可視光、赤外線、または紫外線）を用いるため、高い分解能で物体の距離分布を検出することができる。そのようなＬｉＤＡＲシステムは、例えば自動車、ＵＡＶ（Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｅｒｉａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ、所謂ドローン）、ＡＧＶ（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｇｕｉｄｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）などの移動体に搭載され、衝突回避技術の１つとして使用され得る。本明細書において、光スキャンデバイスと光受信デバイスを「光デバイス」と総称することがある。また、光スキャンデバイスまたは光受信デバイスに使用されるデバイスについても「光デバイス」と称することがある。光スキャンデバイスまたは光受信デバイスを構成する光学部品についても「光デバイス」の用語が使用される。
【0022】
＜光スキャンデバイスの構成例＞
以下、一例として、２次元スキャンを行う光スキャンデバイスの構成を説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明および実質的に同一の構成に対する重複する説明を省略することがある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。以下の説明において、同一または類似する構成要素については、同じ参照符号を付している。
以下、一例として、２次元スキャンを行う光スキャンデバイスの構成を説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明および実質的に同一の構成に対する重複する説明を省略することがある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。以下の説明において、同一または類似する構成要素については、同じ参照符号を付している。
【0023】
本開示において、「光」とは、可視光（波長が約４００ｎｍ～約７００ｎｍ）だけでなく、紫外線（波長が約１０ｎｍ～約４００ｎｍ）および赤外線（波長が約７００ｎｍ～約１ｍｍ）を含む電磁波を意味する。本明細書において、紫外線を「紫外光」と称し、赤外線を「赤外光」と称することがある。
【0024】
本開示において、光による「スキャン」とは、光の方向を変化させることを意味する。「１次元スキャン」とは、光の方向を、当該方向に交差する方向に沿って直線的に変化させることを意味する。「２次元スキャン」とは、光の方向を、当該方向に交差する平面に沿って２次元的に変化させることを意味する。
【0025】
図１は、光スキャンデバイス１００の例を模式的に示す斜視図である。光スキャンデバイス１００は、複数の導波路素子１０を含む導波路アレイを備える。複数の導波路素子１０の各々は、第１の方向（図１におけるＸ方向）に延びた形状を有する。複数の導波路素子１０は、第１の方向に交差する第２の方向（図１におけるＹ方向）に規則的に配列されている。複数の導波路素子１０は、第１の方向に光を伝搬させながら、第１および第２の方向に平行な仮想的な平面に交差する第３の方向Ｄ３に光を出射させる。本開示では、第１の方向（Ｘ方向）と第２の方向（Ｙ方向）とが直交しているが、両者が直交していなくてもよい。本開示では、複数の導波路素子１０がＹ方向に等間隔で並んでいるが、必ずしも等間隔に並んでいる必要はない。
【0026】
なお、本願の図面に示される構造物の向きは、説明のわかりやすさを考慮して設定されており、実施の際の向きをなんら制限するものではない。また、図面に示されている構造物の全体または一部分の形状および大きさも、現実の形状および大きさを制限するものではない。
【0027】
複数の導波路素子１０のそれぞれは、互いに対向する第１のミラー３０および第２のミラー４０（以下、それぞれを単に「ミラー」と称する場合がある）と、ミラー３０とミラー４０の間に位置する光導波層２０とを有する。ミラー３０およびミラー４０の各々は、第３の方向Ｄ３に交差する反射面を、光導波層２０との界面に有する。ミラー３０およびミラー４０、ならびに光導波層２０は、第１の方向（Ｘ方向）に延びた形状を有している。
【0028】
第１のミラー３０の反射面と、第２のミラー４０の反射面とは略平行に対向している。２つのミラー３０およびミラー４０のうち、少なくとも第１のミラー３０は、光導波層２０を伝搬する光の一部を透過させる特性を有する。言い換えれば、第１のミラー３０は、当該光について、第２のミラー４０よりも高い光透過率を有する。このため、光導波層２０を伝搬する光の一部は、第１のミラー３０から外部に出射される。このようなミラー３０および４０は、例えば誘電体による多層膜（「多層反射膜」または「分布ブラッグ反射器（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）」と称することもある。）によって形成される多層膜ミラーであり得る。
【0029】
それぞれの導波路素子１０に入力する光の位相を制御し、さらに、これらの導波路素子１０における光導波層２０の屈折率もしくは厚さ、または光導波層２０に入力される光の波長を同期して同時に変化させることで、光による２次元スキャンを実現することができる。
【0030】
本発明者は、そのような２次元スキャンを実現するために、導波路素子１０の動作原理について分析を行った。その結果に基づき、複数の導波路素子１０を同期して駆動することで、光による２次元スキャンを実現することに成功した。
【0031】
図１に示すように、各導波路素子１０に光を入力すると、各導波路素子１０の出射面から光が出射される。出射面は、第１のミラー３０の反射面の反対側に位置する。その出射光の方向Ｄ３は、光導波層の屈折率、厚さ、および光の波長に依存する。本開示では、各導波路素子１０から出射される光が概ね同じ方向になるように、各光導波層の屈折率、厚さ、および波長の少なくとも１つが同期して制御される。これにより、複数の導波路素子１０から出射される光の波数ベクトルのＸ方向の成分を変化させることができる。言い換えれば、出射光の方向Ｄ３を、図１に示される方向１０１に沿って変化させることができる。
【0032】
さらに、複数の導波路素子１０から出射される光は同じ方向を向いているので、出射光は互いに干渉する。それぞれの導波路素子１０から出射される光の位相を制御することにより、干渉によって光が強め合う方向を変化させることができる。例えば、同じサイズの複数の導波路素子１０がＹ方向に等間隔で並んでいる場合、複数の導波路素子１０には、一定量ずつ位相の異なる光が入力される。その位相差を変化させることにより、出射光の波数ベクトルの、Ｙ方向の成分を変化させることができる。言い換えれば、複数の導波路素子１０に導入される光の位相差をそれぞれ変化させることにより、干渉によって出射光が強め合う方向Ｄ３を、図１に示される方向１０２に沿って変化させることができる。これにより、光による２次元スキャンを実現することができる。
【0033】
以下、光スキャンデバイス１００の動作原理を説明する。
【0034】
＜導波路素子の動作原理＞
図２は、１つの導波路素子１０の断面の構造および伝搬する光の例を模式的に示す図である。図２では、図１に示すＸ方向およびＹ方向に垂直な方向をＺ方向とし、導波路素子１０のＸＺ面に平行な断面が模式的に示されている。導波路素子１０において、一対のミラー３０とミラー４０が光導波層２０を挟むように配置されている。光導波層２０のＸ方向における一端から導入された光２２は、光導波層２０の上面（図２における上側の表面）に設けられた第１のミラー３０の第１の反射面３０ｓおよび下面（図２における下側の表面）に設けられた第２のミラー４０の第２の反射面４０ｓによって反射を繰り返しながら光導波層２０内を伝搬する。第１のミラー３０の光透過率は、第２のミラー４０の光透過率よりも高い。このため、主に第１のミラー３０の出射面３０ｅｓから光の一部を出力することができる。以下では、第１の反射面３０ｓを、単に「反射面３０ｓ」と称し、第２の反射面４０ｓを、単に「反射面４０ｓ」と称することがある。
図２は、１つの導波路素子１０の断面の構造および伝搬する光の例を模式的に示す図である。図２では、図１に示すＸ方向およびＹ方向に垂直な方向をＺ方向とし、導波路素子１０のＸＺ面に平行な断面が模式的に示されている。導波路素子１０において、一対のミラー３０とミラー４０が光導波層２０を挟むように配置されている。光導波層２０のＸ方向における一端から導入された光２２は、光導波層２０の上面（図２における上側の表面）に設けられた第１のミラー３０の第１の反射面３０ｓおよび下面（図２における下側の表面）に設けられた第２のミラー４０の第２の反射面４０ｓによって反射を繰り返しながら光導波層２０内を伝搬する。第１のミラー３０の光透過率は、第２のミラー４０の光透過率よりも高い。このため、主に第１のミラー３０の出射面３０ｅｓから光の一部を出力することができる。以下では、第１の反射面３０ｓを、単に「反射面３０ｓ」と称し、第２の反射面４０ｓを、単に「反射面４０ｓ」と称することがある。
【0035】
通常の光ファイバーなどの導波路では、全反射を繰り返しながら光が導波路に沿って伝搬する。これに対して、導波路素子１０では、光は光導波層２０の上下に配置されたミラー３０および４０によって反射を繰り返しながら伝搬する。このため、光の伝搬角度に制約がない。ここで光の伝搬角度とは、ミラー３０またはミラー４０と光導波層２０との界面への入射角度を意味する。ミラー３０またはミラー４０に対して、より垂直に近い角度で入射する光も伝搬できる。すなわち、全反射の臨界角よりも小さい角度で界面に入射する光も伝搬できる。このため、光の伝搬方向における光の群速度は自由空間における光速に比べて大きく低下する。これにより、導波路素子１０は、光の波長、光導波層２０の厚さ、および光導波層２０の屈折率の変化に対して光の伝搬条件が大きく変化するという性質を持つ。導波路素子１０は、「反射型導波路」または「スローライト導波路」とも称される。
【0036】
導波路素子１０から空気中に出射される光の出射角度θは、以下の式（１）によって表される。
【数1】
【0037】
式（１）からわかるように、空気中での光の波長λ、光導波層２０の屈折率ｎｗおよび光導波層２０の厚さｄのいずれかを変えることで光の出射方向を変えることができる。
【0038】
例えば、ｎｗ＝２、ｄ＝３８７ｎｍ、λ＝１５５０ｎｍ、ｍ＝１の場合、出射角度は０°である。この状態から、屈折率をｎｗ＝２．２に変化させると、出射角度は約６６°に変化する。一方、屈折率を変えずに厚さをｄ＝４２０ｎｍに変化させると、出射角度は約５１°に変化する。屈折率も厚さも変化させずに波長をλ＝１５００ｎｍに変化させると、出射角度は約３０°に変化する。このように、光の波長λ、光導波層２０の屈折率ｎｗ、および光導波層２０の厚さｄのいずれかを変えることにより、光の出射方向を大きく変えることができる。
【0039】
そこで、本開示の光スキャンデバイス１００では、光導波層２０に入力される光の波長λ、光導波層２０の屈折率ｎｗ、および光導波層２０の厚さｄの少なくとも１つを制御することにより、光の出射方向が制御される。光の波長λは、動作中に変化させず、一定に維持されてもよい。その場合、よりシンプルな構成で光のスキャンを実現できる。波長λは、特に限定されない。例えば、波長λは、一般的なシリコン（Ｓｉ）により光を吸収することで光を検出するフォトディテクタまたはイメージセンサで高い検出感度が得られる４００ｎｍから１１００ｎｍ（可視光から近赤外光）の波長域に含まれ得る。他の例では、波長λは、光ファイバーまたはＳｉ導波路において伝送損失の比較的小さい１２６０ｎｍから１６２５ｎｍの近赤外光の波長域に含まれ得る。なお、これらの波長範囲は一例である。使用される光の波長域は、可視光または赤外光の波長域に限定されず、例えば紫外光の波長域であってもよい。
【0040】
出射光の方向を変化させるために、光スキャンデバイス１００は、各導波路素子１０における光導波層２０の屈折率、厚さ、および波長の少なくとも１つを変化させる第１調整素子を備え得る。
【0041】
以上のように、導波路素子１０を用いれば、光導波層２０の屈折率ｎｗ、厚さｄ、および波長λの少なくとも１つを変化させることにより、光の出射方向を大きく変えることができる。これにより、ミラー３０から出射される光の出射角度を、導波路素子１０に沿った方向に変化させることができる。少なくとも１つの導波路素子１０を用いることにより、このような１次元のスキャンを実現することができる。
【0042】
光導波層２０の少なくとも一部の屈折率を調整するために、光導波層２０は、液晶材料または電気光学材料を含んでいてもよい。光導波層２０は、一対の電極によって挟まれ得る。一対の電極に電圧を印加することにより、光導波層２０の屈折率を変化させることができる。
【0043】
光導波層２０の厚さを調整するために、例えば、第１のミラー３０および第２のミラー４０の少なくとも一方に少なくとも１つのアクチュエータが接続されてもよい。少なくとも１つのアクチュエータによって第１のミラー３０と第２のミラー４０との距離を変化させることにより、光導波層２０の厚さを変化させることができる。光導波層２０が液体から形成されていれば、光導波層２０の厚さは容易に変化し得る。
【0044】
＜２次元スキャンの動作原理＞
複数の導波路素子１０が一方向に配列された導波路アレイにおいて、それぞれの導波路素子１０から出射される光の干渉により、光の出射方向は変化する。各導波路素子１０に供給する光の位相を調整することにより、光の出射方向を変化させることができる。以下、その原理を説明する。
複数の導波路素子１０が一方向に配列された導波路アレイにおいて、それぞれの導波路素子１０から出射される光の干渉により、光の出射方向は変化する。各導波路素子１０に供給する光の位相を調整することにより、光の出射方向を変化させることができる。以下、その原理を説明する。
【0045】
図３Ａは、導波路アレイの出射面に垂直な方向に光を出射する導波路アレイの断面を示す図である。図３Ａには、各導波路素子１０を伝搬する光の位相シフト量も記載されている。ここで、位相シフト量は、左端の導波路素子１０を伝搬する光の位相を基準にした値である。本開示の導波路アレイは、等間隔に配列された複数の導波路素子１０を含んでいる。図３Ａにおいて、破線の円弧は、各導波路素子１０から出射される光の波面を示している。直線は、光の干渉によって形成される波面を示している。矢印は、導波路アレイから出射される光の方向（すなわち、波数ベクトルの方向）を示している。図３Ａに示す例では、各導波路素子１０における光導波層２０を伝搬する光の位相はいずれも同じである。この場合、光は導波路素子１０の配列方向（Ｙ方向）および光導波層２０が延びる方向（Ｘ方向）の両方に垂直な方向（Ｚ方向）に出射される。
【0046】
図３Ｂは、導波路アレイの出射面に垂直な方向とは異なる方向に光を出射する導波路アレイの断面を示す図である。図３Ｂに示す例では、複数の導波路素子１０における光導波層２０を伝搬する光の位相が、配列方向に一定量（Δφ）ずつ異なっている。この場合、光は、Ｚ方向とは異なる方向に出射される。このΔφを変化させることにより、光の波数ベクトルのＹ方向の成分を変化させることができる。隣接する２つの導波路素子１０の間の中心間距離をｐとすると、光の出射角度α０は、以下の式（２）によって表される。
【数2】
【0047】
図２に示す例では、光の出射方向は、ＸＺ平面に平行である。すなわち、α０＝０°である。図３Ａおよび図３Ｂに示す例では、光スキャンデバイス１００から出射される光の方向は、ＹＺ平面に平行である。すなわち、θ＝０°である。しかし、一般には、光スキャンデバイス１００から出射される光の方向は、ＸＺ平面にも、ＹＺ平面にも平行ではない。すなわち、θ≠０°およびα０≠０°である。
【0048】
図４は、３次元空間における導波路アレイの例を模式的に示す斜視図である。図４に示す太い矢印は、光スキャンデバイス１００から出射される光の方向を表す。θは、光の出射方向とＹＺ平面とがなす角度である。θは式（１）を満たす。α０は、光の出射方向とＸＺ平面とがなす角度である。α０は式（２）を満たす。
【0049】
＜導波路アレイに導入する光の位相制御＞
それぞれの導波路素子１０から出射される光の位相を制御するために、例えば、導波路素子１０に光を導入する前段に、光の位相を変化させる位相シフタが設けられ得る。本開示の光スキャンデバイス１００は、複数の導波路素子１０のそれぞれに接続された複数の位相シフタと、各位相シフタを伝搬する光の位相を調整する第２調整素子とを備える。各位相シフタは、複数の導波路素子１０の対応する１つにおける光導波層２０に直接的にまたは他の導波路を介して繋がる導波路を含む。第２調整素子は、複数の位相シフタから複数の導波路素子１０へ伝搬する光の位相の差をそれぞれ変化させることにより、複数の導波路素子１０から出射される光の方向（すなわち、第３の方向Ｄ３）を変化させる。以下の説明では、導波路アレイと同様に、配列された複数の位相シフタを「位相シフタアレイ」と称することがある。
それぞれの導波路素子１０から出射される光の位相を制御するために、例えば、導波路素子１０に光を導入する前段に、光の位相を変化させる位相シフタが設けられ得る。本開示の光スキャンデバイス１００は、複数の導波路素子１０のそれぞれに接続された複数の位相シフタと、各位相シフタを伝搬する光の位相を調整する第２調整素子とを備える。各位相シフタは、複数の導波路素子１０の対応する１つにおける光導波層２０に直接的にまたは他の導波路を介して繋がる導波路を含む。第２調整素子は、複数の位相シフタから複数の導波路素子１０へ伝搬する光の位相の差をそれぞれ変化させることにより、複数の導波路素子１０から出射される光の方向（すなわち、第３の方向Ｄ３）を変化させる。以下の説明では、導波路アレイと同様に、配列された複数の位相シフタを「位相シフタアレイ」と称することがある。
【0050】
図５は、導波路アレイ１０Ａおよび位相シフタアレイ８０Ａを、光出射面の法線方向（Ｚ方向）から見た模式図である。図５に示される例では、全ての位相シフタ８０が同じ伝搬特性を有し、全ての導波路素子１０が同じ伝搬特性を有する。それぞれの位相シフタ８０およびそれぞれの導波路素子１０は同じ長さであってもよいし、長さが異なっていてもよい。それぞれの位相シフタ８０の長さが等しい場合は、例えば、駆動電圧によってそれぞれの位相シフト量を調整することができる。また、それぞれの位相シフタ８０の長さを等ステップで変化させた構造にすることにより、同じ駆動電圧で等ステップの位相シフトを与えることもできる。さらに、この光スキャンデバイス１００は、複数の位相シフタ８０に光を分岐して供給する光分岐器９０と、各導波路素子１０を駆動する第１駆動回路１１０と、各位相シフタ８０を駆動する第２駆動回路２１０とをさらに備える。図５に示す直線の矢印は光の入力を表している。別々に設けられた第１駆動回路１１０と第２駆動回路２１０とをそれぞれ独立に制御することにより、２次元スキャンを実現できる。この例では、第１駆動回路１１０は、第１調整素子の１つの要素として機能し、第２駆動回路２１０は、第２調整素子の１つの要素として機能する。
【0051】
第１駆動回路１１０は、各導波路素子１０における光導波層２０の屈折率および厚さの少なくとも一方を変化させることにより、光導波層２０から出射する光の角度を変化させる。第２駆動回路２１０は、各位相シフタ８０における導波路２０ａの屈折率を変化させることにより、導波路２０ａの内部を伝搬する光の位相を変化させる。光分岐器９０は、全反射によって光が伝搬する導波路で構成してもよいし、導波路素子１０と同様の反射型導波路で構成してもよい。
【0052】
なお、光分岐器９０で分岐したそれぞれの光に対して位相を制御した後に、それぞれの光を位相シフタ８０に導入してもよい。この位相制御には、例えば、位相シフタ８０に至るまでの導波路の長さを調整することによるパッシブな位相制御構造を用いることができる。あるいは、位相シフタ８０と同様の機能を有する電気信号で制御可能な位相シフタを用いてもよい。このような方法により、例えば、全ての位相シフタ８０に等位相の光が供給されるように、位相シフタ８０に導入される前に位相を調整してもよい。そのような調整により、第２駆動回路２１０による各位相シフタ８０の制御をシンプルにすることができる。
【0053】
上記の光スキャンデバイス１００と同様の構成を有する光デバイスは、光受信デバイスとしても利用できる。光デバイスの動作原理、および動作方法などの詳細は、米国特許出願公開第２０１８／０２２４７０９号に開示されている。この文献の開示内容全体を本明細書に援用する。
【0054】
＜出射角度と出射光のビーム線幅＞
スローライト導波路１０から出射される光のビーム線幅は、スキャンの分解能を決定する。ビーム線幅が狭くなると、スキャンの分解能は向上し、ビーム線幅が広くなると、スキャンの分解能は低下する。以下、従来のスローライト導波路１０から出射される光のビーム線幅と、出射角度との関係を説明する。
スローライト導波路１０から出射される光のビーム線幅は、スキャンの分解能を決定する。ビーム線幅が狭くなると、スキャンの分解能は向上し、ビーム線幅が広くなると、スキャンの分解能は低下する。以下、従来のスローライト導波路１０から出射される光のビーム線幅と、出射角度との関係を説明する。
【0055】
スローライト導波路１０から出射される光の遠方パターンは、図２に示す出射面３０ｅｓでの電界分布のフーリエ変換に相当する。すなわち、光導波層２０を伝搬する光２２の伝搬長が長くなるほど、出射光の遠方でのビーム線幅は狭くなる。逆に、光導波層２０を伝搬する光の伝搬長が短くなるほど、出射光の遠方でのビーム線幅は広くなる。ここで、伝搬長とは、光導波層２０を減衰しながら伝搬する光２２の強度が１／ｅ倍に減少する距離を意味する。ｅは自然対数の底である。ビーム線幅とは、出射角度θを中心に両側に拡がる角度Δθを意味する。具体的には、ビーム線幅は、角度スペクトルにおける出射光の半値全幅として記述される。
【0056】
図６Ａおよび図６Ｂは、それぞれ、伝搬角度φが相対的に小さい場合と相対的に大きい場合において、出射面３０ｅｓから光が出射される様子を模式的に示す図である。簡単のため、ミラー３０の反射率は、伝搬角度φによらず一定であると仮定する。図６Ａに示す例では、伝搬角度φが小さいことから、反射面３０ｓが単位長さ当たりに光２２を反射する回数が多くなる。したがって、伝搬長Ｌｐは短くなる。図６Ｂに示す例では、伝搬角度φが大きいことから、反射面３０ｓが単位長さ当たりに光２２を反射する回数が少なくなる。したがって、伝搬長Ｌｐは長くなる。伝搬角度φと出射角度θとの間には正の相関関係があることから、出射角度θが大きくなるほど、伝搬長Ｌｐも大きくなる。なお、図６Ａおよび図６Ｂにおいて両矢印によって示された伝搬長Ｌｐは、模式的に表されており、実際の長さを表しているわけではない。
【0057】
図７は、伝搬長Ｌｐと出射光のビーム線幅Δθとの関係の一例を示す図である。図７に示すグラフは、各構成要素の寸法および誘電率などの条件が適切に設定された１つのスローライト導波路１０から出射する光ビームの線幅を、伝搬長を様々に変更して計算した結果を示している。図７に示すように、伝搬長Ｌｐが長くなるほど、出射光のビーム線幅Δθが狭くなる。前述のように、出射角度θが増加すると、伝搬長Ｌｐが増加することから、出射角度θが増加するほど、出射光のビーム線幅Δθは減少する。このように、出射光のビーム線幅Δθが出射角度θに依存することから、出射角度θが変わると、スキャンの分解能が変化してしまう。
【0058】
本発明者らは、以上の課題を見出し、この課題を解決するための光デバイスの構成を検討した。その結果、スローライト導波路における２つのミラーの少なくとも一方のミラーとして、従来にない特殊な特性を有するミラーを使用することにより、上記課題を解決できることを見出した。以下に説明する本開示の実施形態は、当該知見に基づいている。以下、本開示の例示的な実施形態を説明する。
【0059】
ここで比較のため、スローライト導波路１０におけるミラー３０および／またはミラー４０に用いられ得る従来のＤＢＲの反射スペクトルを説明する。
【0060】
図２に示すように、光２２は、ミラー３０の反射面３０ｓおよびミラー４０の反射面４０ｓによって反射されながら、光導波層２０を伝搬する。このとき、ミラー３０およびミラー４０の反射率は、光の出射側であっても９９％程度である。このような高い反射率を実現するために、ミラー３０およびミラー４０は、例えば、ＤＢＲから形成され得る。以下に、従来のＤＢＲの反射面に光が入射した場合の反射スペクトルの例を説明する。当該反射面に光が入射する入射角度は、伝搬角度φに相当する。
【0061】
図８は、φ＝０°の入射角度の光についての従来のＤＢＲの反射スペクトルを示す図である。φ＝０°の入射角度とは、ＤＢＲの反射面の法線方向から光が入射する角度に相当する。反射スペクトルの計算には、Ｓｙｎｏｐｓｙｓ社のＤｉｆｆｒａｃｔＭｏｄが用いられた。この例におけるＤＢＲの入射側の媒質の屈折率は１．６８である。ＤＢＲはスローライト導波路１０におけるミラー３０に相当し、入射側の媒質はスローライト導波路１０における光導波層２０に相当する。このＤＢＲは、９層の高屈折率層および８層の低屈折率層が交互に積層された構造を有する。各高屈折率層の屈折率は２．２８であり、厚さは１１１ｎｍである。各低屈折率層の屈折率は１．４７であり、厚さは１７３ｎｍである。図８に示すように、従来のＤＢＲの反射スペクトルは、ストップバンドでは、設計通りにほぼ１００％の反射率を示し、当該ストップバンドから離れると、低い反射率を示す。ここで、ストップバンドとは、周期構造に起因するブラッグ反射によって入射光が強く反射される波長領域を意味する。
【0062】
図９は、φ＝０°、１０°、および１５°の入射角度についての従来のＤＢＲの反射スペクトルを示す図である。図９に示すように、反射スペクトルは、入射角度φの増加に伴い、短波長側にシフトする。以下、一例として、波長λＡ＝９４０ｎｍおよび波長λＢ＝１１００ｎｍの光の反射率が、入射角度φによってどのように変化するかを説明する。
【0063】
図１０Ａおよび図１０Ｂは、それぞれ、入射角度φと波長λＡ＝９４０ｎｍの光の反射率との関係、および、入射角度φと波長λＢ＝１１００ｎｍの光の反射率との関係を示す図である。入射角度φが０°以上２５°以下の範囲は、出射角度θが０°以上約６０°以下の範囲に相当する。図１０Ａに示すように、波長λＡの光の反射率の波長依存性は小さい。したがって、前述した理由により、出射光のビーム線幅Δθは、出射角度θの増加に伴って狭くなる。一方、図１０Ｂに示すように、ストップバンドの端に近い波長λＢでは、反射率が、入射角度φ＝１５°付近で急峻に低下しすぎる。このため、出射光のビーム線幅Δθは、入射角度φが０°以上約１５°以下の範囲では、出射角度θの増加に伴って狭くなり、入射角度φが約１５°以上２５°以下の範囲では、出射角度θの増加に伴って増加する。図１０Ａおよび図１０Ｂのいずれの例においても、出射光のビーム線幅Δθは、出射角度θによって大きく変化する。
【0064】
以上のことから、本発明者らは、反射率が入射角度φの増加に伴って緩やかに減少するミラーを用いることにより、出射光のビーム線幅Δθが出射角度θによって大きく変化することがない光スキャンデバイスを実現できることを見出した。具体的には、ミラーの反射スペクトルにおける極大値から長波長側に変曲点を設けることにより、反射率が入射角度φの増加に伴って緩やかに減少するミラーを実現した。本実施形態においては、反射スペクトルに変曲点を有するミラーとして、高屈折率層および低屈折率層の厚さが適切に調整されたチャープＤＢＲが用いられた。本明細書において、「チャープＤＢＲ」とは、複数の高屈折率層の厚さおよび／または複数の低屈折率層の厚さが、層によって異なるＤＢＲを意味する。チャープＤＢＲには、複数の高屈折率層の厚さおよび／または複数の低屈折率層の厚さが積層方向に沿って徐々に増加または減少するＤＢＲだけでなく、複数の高屈折率層の厚さおよび／または複数の低屈折率層の厚さが、積層方向に沿って不規則またはランダムに変化するＤＢＲも含まれる。
【0065】
図１１は、φ＝０°の入射角度についての本実施形態のチャープＤＢＲの反射スペクトルを示す図である。図１１に示す例では、反射スペクトルは、反射率が９５％以上である波長域において、１つの極大点ＰＬＭ、および極大点ＰＬＭの長波長側にある変曲点Ｐ１から変曲点Ｐ４を含む。当該反射スペクトルでは、反射率は、極大点ＰＬＭの長波長側において単調に減少する。ここで、変曲点とは、波長に関する反射率の２次微分がゼロになる点を意味する。当該変曲点では、反射率は、波長に対して直線的に変化する。
【0066】
本実施形態のチャープＤＢＲの反射スペクトルにおいては、極大点ＰＬＭ、および変曲点Ｐ１から変曲点Ｐ４は、９５％以上の反射率を示す波長域に存在する。チャープＤＢＲの設計によっては、極大点ＰＬＭ、および変曲点Ｐ１から変曲点Ｐ４は、反射率が９０％以上である波長域に存在することもあり得る。
【0067】
図７は、ビーム線幅Δθを約０．２°以下にするためには伝搬長が約１００μｍ以上必要であることを示している。図１８は、伝搬長を１００μｍとしたときの入射角度φと反射率の関係を示す図である。図１８が示す通り、入射角度２５度まで伝搬長を保つためには、反射率が約９０％以上であることが必要となる。
【0068】
図１２は、波長λＡ＝９４０ｎｍでの入射角度φと反射率との関係を計算した結果を示す図である。図１２に示すように、反射率は、反射率が９５％から９９．９％程度の非常に高い波長域において、緩やかに単調減少する。より具体的には、反射率は、当該波長域において、入射角度φの増加に伴って段階的に減少する。当該波長域は、約９４０ｎｍ以上約１０９０ｎｍ以下である。反射率は、図１０Ｂに示すように急峻に減少することはない。反射率は、入射角度φが相対的に小さい場合は高く、入射角度φが相対的に大きい場合は低い。図１１に示すような所望の反射スペクトルを得るためのチャープＤＢＲの設計方法は、例えば、Ｈ．Ａ．Ｍａｃｌｅｏｄ “Ｔｈｉｎ－Ｆｉｌｍ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｌｔｅｒｓ， ３ｒｄ Ｅｄ．”（Ｐ．１９３－Ｐ．２０４） ＩｏＰ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ （Ｂｒｉｓｔｏｌ ａｎｄ Ｐｈｉｌａｄｅｌｐｈｉａ）に記載されている。
【0069】
以上のように、反射スペクトルの極大点ＰＬＭよりも長波長側に変曲点を設けることにより、入射角度φの変化に対する反射率の変化を緩やかにすることができる。反射スペクトルの極大点ＰＬＭおよび変曲点は、９５％以上の反射率を示す波長域に存在してもよい。このような構成により、反射率を高く維持した状態で、緩やかに変化させることができる。反射スペクトルの極大点ＰＬＭおよび変曲点は、９０％以上の反射率を示す波長域に存在してもよい。本実施形態においては、変曲点が１つ以上あるとき、反射率は、少なくとも入射角度φが０°以上約１０°以下の範囲内で緩やかに変化する。特に、変曲点が２つ以上あるとき、反射率は、少なくとも入射角度φが０°以上約１５°以下の範囲内で緩やかに変化する。このように変曲点を２つ以上設けることにより、入射角度の変化に対する反射率の変化を、広い角度範囲において緩やかにすることができる。また、当該反射率の緩やかな変化を、高い反射率を保ちながら実現できる。
【0070】
次に、比較のために、従来のＤＢＲと本実施形態のＤＢＲとをミラー３０として用いた場合の出射角度θと伝搬長Ｌｐとの関係を説明する。
【0071】
図１３は、出射角度θと伝搬長Ｌｐとの関係の例を示す図である。白丸は、スローライト導波路１０におけるミラー３０が、前述した例での従来のＤＢＲから形成された場合に相当する。黒丸は、スローライト導波路１０におけるミラー３０が、前述した例でのチャープＤＢＲから形成された場合に相当する。スローライト導波路１０におけるミラー４０は、前述した例とは別の従来のＤＢＲから形成されている。当該ＤＢＲは、１１層の高屈折率層および１０層の低屈折率層が交互に積層された構造を有する。当該高屈折率層の屈折率は２．２８であり、厚さは１０７ｎｍである。当該低屈折率層の屈折率は１．４７であり、厚さは１７２ｎｍである。光導波層２０の屈折率は、１．６８である。光の出射側の媒質である空気の屈折率は、１．０である。
【0072】
白丸によって表されるように、従来のＤＢＲでは、伝搬長Ｌｐは、出射角度θの増加に伴って増加する。これに対して、黒丸によって表されるように、本実施形態のチャープＤＢＲでは、伝搬長Ｌｐは、出射角度θが増加しても、あまり大きく変化しないことがわかる。このように、本実施形態のチャープＤＢＲによって、出射角度θに対する伝搬長Ｌｐの依存性を抑制することができる。伝搬長Ｌｐが出射角度θによらずほぼ一定であれば、図７に示す出射光のビーム線幅Δθも、出射角度θに対してほぼ一定である。図１３に示す例では、伝搬長Ｌｐは平均して約１５０μｍである。伝搬長Ｌｐ≒１５０μｍは、図７に示すように、出射光のビーム線幅Δθ≒０．１°に相当する。したがって、出射角度θが変化しても、出射光のビーム線幅Δθは約０．１度に維持することができる。これにより、出射角度θによるスキャンの分解能の変化を抑制することができる。さらに、出射光のビーム線幅Δθが０．１°であることから、出射角度θによらず高い分解能を維持することができる。
【0073】
前述した例では、反射率は、極大点ＰＬＭの長波長側において単調に減少するが、反射率は、極大点ＰＬＭの長波長側において必ずしも単調に減少する必要はない。図１４は、φ＝０°の入射角度についての本実施形態の他のチャープＤＢＲの反射スペクトルを示す図である。図１４に示す例では、反射スペクトルは、反射率が９５％以上である波長域において、極大点ＰＬＭ１およびそれよりも長波長側にある極大点ＰＬＭ２、ならびに極大点ＰＬＭ１の長波長側であり極大点ＰＬＭ２の短波長側にある変曲点Ｐ１から変曲点Ｐ３を含む。当該反射スペクトルでは、反射率は、極大点ＰＬＭ１の長波長側であり極大点ＰＬＭ２の短波長側において、波長の増加に伴って減少した後に増加する。すなわち、反射率は、極大点ＰＬＭ１の長波長側において単調に減少しない。反射率は、極大点ＰＬＭ２の長波長側において、単調に減少する。この場合でも、反射率は、反射率が９９．５％から９９．９％程度の極めて高い波長域において、入射角度φの増加に伴って緩やかに、より具体的には段階的に減少する。当該波長域は、約９４０ｎｍ以上約１０００ｎｍ以下である。
【0074】
以上のように、本実施形態におけるスローライト導波路１０では、出射角度θに対する出射光のビーム線幅Δθの依存性を抑制することができる。さらに、出射角度θが変化しても、出射光のビーム線幅Δθを狭く維持することできる。この効果は、スローライト導波路１０におけるミラー３０およびミラー４０の少なくとも一方が以下の反射スペクトルを有する場合に得られる。当該反射スペクトルは、φ＝０°の入射角度についての反射率が９０％以上である波長域において、１つの極大点、および当該極大点の長波長側に第１の変曲点および第２の変曲点を含む。第１の変曲点の波長は、第２の変曲点の波長よりも短い。光導波層２０を伝搬する光２２の波長λは、極大点以上、第１の変曲点以下の波長である。当該波長域は、例えば、前述したＬｉＤＡＲシステムに用いられ得る０．８μｍ以上１．２μｍ以下の波長域に含まれていてもよい。ミラー３０およびミラー４０の一方がこのような反射スペクトルを示してもよいし、ミラー３０およびミラー４０の両方がこのような反射スペクトルを示してもよい。図２に示す例では、ミラー３０から光が出射され、ミラー４０によって光が反射されるが、この例に限られない。ミラー３０によって光が反射され、ミラー４０から光が出射されてもよいし、ミラー３０およびミラー４０の両方から光が出射されてもよい。
【0075】
本実施形態においては、反射スペクトルの極大点ＰＬＭよりも長波長側に変曲点を設けることにより、入射角度φの変化に対する反射率の変化を緩やかにし、その緩やかに反射率が変化する領域を使用する。その為、光導波層２０を伝搬する光２２の波長λは、極大点ＰＬＭ、第１の変曲点Ｐ１を用いて以下の式で表される波長である。
【数3】
【0076】
＜応用例＞
図１５は、回路基板（たとえば、チップ）上に光分岐器９０、導波路アレイ１０Ａ、位相シフタアレイ８０Ａ、および光源１３０などの素子を集積した光スキャンデバイス１００の構成例を示す図である。光源１３０は、例えば、半導体レーザーなどの発光素子であり得る。この例における光源１３０は、自由空間における波長がλである単一波長の光を出射する。光分岐器９０は、光源１３０からの光を分岐して複数の位相シフタにおける導波路に導入する。図１５に示す例において、チップ上には電極６２Ａと、複数の電極６２Ｂとが設けられている。導波路アレイ１０Ａには、電極６２Ａから制御信号が供給される。位相シフタアレイ８０Ａにおける複数の位相シフタ８０には、複数の電極６２Ｂから制御信号がそれぞれ送られる。電極６２Ａ、および複数の電極６２Ｂは、上記の制御信号を生成する不図示の制御回路に接続され得る。制御回路は、図１５に示すチップ上に設けられていてもよいし、光スキャンデバイス１００における他のチップに設けられていてもよい。
図１５は、回路基板（たとえば、チップ）上に光分岐器９０、導波路アレイ１０Ａ、位相シフタアレイ８０Ａ、および光源１３０などの素子を集積した光スキャンデバイス１００の構成例を示す図である。光源１３０は、例えば、半導体レーザーなどの発光素子であり得る。この例における光源１３０は、自由空間における波長がλである単一波長の光を出射する。光分岐器９０は、光源１３０からの光を分岐して複数の位相シフタにおける導波路に導入する。図１５に示す例において、チップ上には電極６２Ａと、複数の電極６２Ｂとが設けられている。導波路アレイ１０Ａには、電極６２Ａから制御信号が供給される。位相シフタアレイ８０Ａにおける複数の位相シフタ８０には、複数の電極６２Ｂから制御信号がそれぞれ送られる。電極６２Ａ、および複数の電極６２Ｂは、上記の制御信号を生成する不図示の制御回路に接続され得る。制御回路は、図１５に示すチップ上に設けられていてもよいし、光スキャンデバイス１００における他のチップに設けられていてもよい。
【0077】
図１５に示すように、全てのコンポーネントをチップ上に集積することで、小型のデバイスで広範囲の光スキャンが実現できる。例えば２ｍｍ×１ｍｍ程度のチップに、図１５に示される全てのコンポーネントを集積することができる。
【0078】
図１６は、光スキャンデバイス１００から遠方にレーザーなどの光ビームを照射して２次元スキャンを実行している様子を示す模式図である。２次元スキャンは、ビームスポット３１０を水平および垂直方向に移動させることによって実行される。例えば、公知のＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）法と組み合わせることで、２次元の測距画像を取得することができる。ＴＯＦ法は、レーザーを照射して対象物からの反射光を観測することで、光の飛行時間を算出し、距離を求める方法である。
【0079】
図１７は、そのような測距画像を生成することが可能な光検出システムの一例であるＬｉＤＡＲシステム３００の構成例を示すブロック図である。ＬｉＤＡＲシステム３００は、光スキャンデバイス１００と、光検出器４００と、信号処理回路６００と、制御回路５００とを備える。光検出器４００は、光スキャンデバイス１００から出射され、対象物から反射された光を検出する。光検出器４００は、例えば光スキャンデバイス１００から出射される光の波長λに感度を有するイメージセンサ、またはフォトダイオードなどの受光素子を含むフォトディテクタであり得る。光検出器４００は、受光した光の量に応じた電気信号を出力する。信号処理回路６００は、光検出器４００から出力された電気信号に基づいて、対象物までの距離を計算し、距離分布データを生成する。距離分布データは、距離の２次元分布を示すデータ（すなわち、測距画像）である。制御回路５００は、光スキャンデバイス１００、光検出器４００、および信号処理回路６００を制御するプロセッサである。制御回路５００は、光スキャンデバイス１００からの光ビームの照射のタイミングおよび光検出器４００の露光および信号読出しのタイミングを制御し、信号処理回路６００に、測距画像の生成を指示する。
【0080】
２次元スキャンにおいて、測距画像を取得するフレームレートとして、例えば一般的に動画でよく使われる６０ｆｐｓ、５０ｆｐｓ、３０ｆｐｓ、２５ｆｐｓ、２４ｆｐｓなどから選択することができる。また、車載システムへの応用を考慮すると、フレームレートが大きいほど測距画像を取得する頻度が上がり、精度よく障害物を検知できる。例えば、６０ｋｍ／ｈでの走行時において、６０ｆｐｓのフレームレートでは車が約２８ｃｍ移動するごとに画像を取得することができる。１２０ｆｐｓのフレームレートでは、車が約１４ｃｍ移動するごとに画像を取得することができる。１８０ｆｐｓのフレームレートでは車が、約９．３ｃｍ移動するごとに、画像を取得することができる。
【0081】
１つの測距画像を取得するために必要な時間は、ビームスキャンの速度に依存する。例えば、解像点数が１００×１００のイメージを６０ｆｐｓで取得するためには１点につき１．６７μｓ以下でビームスキャンをする必要がある。この場合、制御回路５００は、６００ｋＨｚの動作速度で、光スキャンデバイス１００による光ビームの出射、および光検出器４００による信号蓄積・読出しを制御する。
【0082】
＜光受信デバイスへの応用例＞
本開示の光スキャンデバイスは、ほぼ同一の構成で、光受信デバイスとしても用いることができる。光受信デバイスは、光スキャンデバイスと同一の導波路アレイ１０Ａと、受信可能な光の方向を調整する第１調整素子とを備える。導波路アレイ１０Ａの各第１のミラー３０は、第３の方向から第１の反射面の反対側に入射する光を透過させる。導波路アレイ１０Ａの各光導波層２０は、第２の方向に第１のミラー３０を透過した光を伝搬させる。第１調整素子が各導波路素子１０における前記光導波層２０の屈折率および厚さ、ならびに光の波長の少なくとも１つを変化させることにより、受信可能な光の方向を変化させることができる。さらに、光受信デバイスが、光スキャンデバイスと同一の複数の位相シフタ８０、または８０ａおよび８０ｂと、複数の導波路素子１０から複数の位相シフタ８０、または８０ａおよび８０ｂを通過して出力される光の位相の差をそれぞれ変化させる第２調整素子を備える場合には、受信可能な光の方向を２次元的に変化させることができる。
本開示の光スキャンデバイスは、ほぼ同一の構成で、光受信デバイスとしても用いることができる。光受信デバイスは、光スキャンデバイスと同一の導波路アレイ１０Ａと、受信可能な光の方向を調整する第１調整素子とを備える。導波路アレイ１０Ａの各第１のミラー３０は、第３の方向から第１の反射面の反対側に入射する光を透過させる。導波路アレイ１０Ａの各光導波層２０は、第２の方向に第１のミラー３０を透過した光を伝搬させる。第１調整素子が各導波路素子１０における前記光導波層２０の屈折率および厚さ、ならびに光の波長の少なくとも１つを変化させることにより、受信可能な光の方向を変化させることができる。さらに、光受信デバイスが、光スキャンデバイスと同一の複数の位相シフタ８０、または８０ａおよび８０ｂと、複数の導波路素子１０から複数の位相シフタ８０、または８０ａおよび８０ｂを通過して出力される光の位相の差をそれぞれ変化させる第２調整素子を備える場合には、受信可能な光の方向を２次元的に変化させることができる。
【0083】
例えば図１５に示す光スキャンデバイス１００における光源１３０を受信回路に置換した光受信デバイスを構成することができる。導波路アレイ１０Ａに波長λの光が入射すると、その光は位相シフタアレイ８０Ａを通じて光分岐器９０へ送られ、最終的に一箇所に集められ、受信回路に送られる。その一箇所に集められた光の強度は、光受信デバイスの感度を表すといえる。光受信デバイスの感度は、導波路アレイおよび位相シフタアレイ８０Ａに別々に組み込まれた調整素子によって調整することができる。光受信デバイスでは、例えば図４において、波数ベクトル（図中の太い矢印）の方向が反対になる。入射光は、導波路素子１０が延びる方向（図中のＸ方向）の光成分と、導波路素子１０の配列方向（図中のＹ方向）の光成分とを有している。Ｘ方向の光成分の感度は、導波路アレイ１０Ａに組み込まれた調整素子によって調整できる。一方、導波路素子１０の配列方向の光成分の感度は、位相シフタアレイ８０Ａに組み込まれた調整素子によって調整できる。光受信デバイスの感度が最大になるときの光の位相差Δφ、光導波層２０の屈折率ｎｗおよび厚さｄから、図４に示すθおよびα０がわかる。これにより、光の入射方向を特定することができる。
【0084】
前述した実施形態は、適宜、組み合わせることができる。
【0085】
最後に、前述した光デバイスを以下の項目にまとめる。
【0086】
第１の項目に係る光デバイスは、第１の反射面を有し、第１の方向に沿って延びる第１のミラーと、前記第１の反射面に対向する第２の反射面を有し、前記第１の方向に沿って延びる第２のミラーと、前記第１のミラーと前記第２のミラーの間に位置し、光を前記第１の方向に沿って伝搬させる光導波層と、を備える。前記第１のミラーの透過率は、前記第２のミラーの透過率よりも高い。前記第１のミラーおよび前記第２のミラーの少なくとも一方の、反射面の法線方向から入射する光に対する反射スペクトルは、反射率が９０％以上である波長域において極大点、および前記極大点よりも長波長側に第１および第２の変曲点を含む。
【0087】
この光デバイスでは、第１のミラーおよび第２のミラーの少なくとも一方の反射率は、光の入射角度の増加に伴って緩やかに減少する。これにより、第１のミラーおよび第２のミラーの少なくとも一方から出射される光のビーム線幅が、出射角度によって変化することを抑制することができる。
【0088】
第２の項目に係る光デバイスは、第１の項目に係る光デバイスにおいて、前記第１の変曲点の波長が前記第２の変曲点の波長よりも短い。前記光導波層を伝搬する前記光の波長λは、前記極大点以上、前記第１の変曲点以下の波長である。
【0089】
この光デバイスでは、第１のミラーおよび第２のミラーの少なくとも一方の反射率は、光の入射角度の増加に伴って段階的に減少する。これにより、出射光のビーム線幅が、出射角度によって変化することを抑制することができる。
【0090】
第３の項目に係る光デバイスは、第１または第２の項目に係る光デバイスにおいて、前記波長域が、０．８μｍ以上１．２μｍ以下に含まれる。
【0091】
この光デバイスは、ＬｉＤＡＲシステムに適用するこができる。
【0092】
第４の項目に係る光デバイスは、第１から第３の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記第１のミラーおよび前記第２のミラーの少なくとも一方が、積層構造を備える分布ブラッグ反射器を含む。
【0093】
この光デバイスでは、第１から第３の項目のいずれかに係る光デバイスと同じ効果を得ることができる。
【0094】
第５の項目に係る光デバイスは、第４の項目に係る光デバイスにおいて、前記分布ブラッグ反射器が、チャープＤＢＲである。
【0095】
この光デバイスでは、第４の項目に係る光デバイスと同じ効果を得ることができる。
【0096】
第６の項目に係る光デバイスは、第１の項目に係る光デバイスにおいて、前記第１のミラーが前記反射スペクトルを有する。
【0097】
この光デバイスでは、第１のミラーから出射される光のビーム線幅が、出射角度によって変化することを抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【0098】
本開示における光スキャンデバイスおよび光受信デバイスは、例えば自動車、ＵＡＶ、ＡＧＶなどの車両に搭載されるライダーシステムなどの用途に利用できる。
【符号の説明】
【0099】
１０ 導波路素子、光導波路
１１ 光導波路
１０Ａ 導波路アレイ
１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｍ グレーティング
２０ 光導波層
２２ 誘電体部材
３０ 第１のミラー
４０ 第２のミラー
３０ｅｓ 出射面
３０ｓ 第１の反射面
４０ｓ 第２の反射面
５１ 誘電体層
６２ａ、６２ｂ、６２Ａ、６２Ｂ 電極
７３ 複数の隔壁
８０ 位相シフタ
８０Ａ 位相シフタアレイ
９０ 光分岐器
１００ 光スキャンデバイス
１１１ 接続領域
１１２ 非接続領域
１１０ 導波路アレイの駆動回路
１３０ 光源
２１０ 位相シフタアレイの駆動回路
３１０ ビームスポット
４００ 光検出器
５００ 制御回路
６００ 信号処理回路
１１ 光導波路
１０Ａ 導波路アレイ
１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｍ グレーティング
２０ 光導波層
２２ 誘電体部材
３０ 第１のミラー
４０ 第２のミラー
３０ｅｓ 出射面
３０ｓ 第１の反射面
４０ｓ 第２の反射面
５１ 誘電体層
６２ａ、６２ｂ、６２Ａ、６２Ｂ 電極
７３ 複数の隔壁
８０ 位相シフタ
８０Ａ 位相シフタアレイ
９０ 光分岐器
１００ 光スキャンデバイス
１１１ 接続領域
１１２ 非接続領域
１１０ 導波路アレイの駆動回路
１３０ 光源
２１０ 位相シフタアレイの駆動回路
３１０ ビームスポット
４００ 光検出器
５００ 制御回路
６００ 信号処理回路
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
