(57)【要約】【課題】比較的簡単な構成で、光によるスキャンを実現する。【解決手段】光デバイスは、第１の方向および前記第１の方向に垂直な第２の方向に拡がる第１の反射面を有する第１のミラーと、前記第１の反射面に対向する第２の反射面を有する第２のミラーと、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間の領域の一部に位置し、光を前記第１の方向に沿って伝搬させる光導波層と、前記第１のミラーの前記第１の反射面とは反対の側に位置する誘電体層と、を備え、前記第１のミラーにおける前記光の透過率は、前記第２のミラーにおける前記光の透過率よりも高く、前記光導波層は、屈折率および／または厚さを調整することが可能な構造により、前記光導波層から前記第１のミラーを介して出射する光の方向、または前記第１のミラーを介して前記光導波層内に取り込まれる光の入射方向が変化する。【選択図】図１１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向および前記第１の方向に垂直な第２の方向に拡がる第１の反射面を有する第１のミラーと、
前記第１の反射面に対向する第２の反射面を有する第２のミラーと、
前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間の領域の一部に位置し、真空における波長がλである光を前記第１の方向に沿って伝搬させる光導波層と、
前記第１のミラーの前記第１の反射面とは反対の側に位置する誘電体層と、
を備え、
前記第１のミラーにおける前記光の透過率は、前記第２のミラーにおける前記光の透過率よりも高く、
前記光導波層は、屈折率および／または厚さを調整することが可能な構造を有し、
前記光導波層の屈折率および／または厚さを調整することにより、前記光導波層から前記第１のミラーを介して出射する光の方向、または前記第１のミラーを介して前記光導波層内に取り込まれる光の入射方向が変化する、
光デバイス。
【請求項２】
前記誘電体層が有する２つの面のうち、一方の面に接触する媒質の屈折率をｎａとし、他方の面に接触する媒質の屈折率をｎｂとし、
前記誘電体層の屈折率をｎｒとすると、
ｎａ＜ｎｒ＜ｎｂまたはｎｂ＜ｎｒ＜ｎａであり、
前記第１の反射面に垂直な方向における前記誘電体層の厚さは、λ／（４ｎｒ）の０．８倍以上１．２倍以下である、
請求項１に記載の光デバイス。
【請求項３】
前記誘電体層の屈折率ｎｒは、（ｎａｎｂ）１／２の０．８倍以上１．２倍以下である、
請求項２に記載の光デバイス。
【請求項４】
前記誘電体層は、ＳｉＯ２、ＴａＯ、ＴｉＯ、ＮｂＯ、Ｓｉ、およびＮｂ２Ｏ５からなる群から選択される１つを含む、
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】
前記誘電体層は、屈折率が異なる複数の層を含み、
前記複数の層の屈折率は、前記光導波層から離れるにつれて低くなり、
各層が有する２つの面のうち、一方の面に接触する媒質の屈折率をｎａとし、他方の面に接触する媒質の屈折率をｎｂとし、
各層の屈折率をｎｒとすると、
ｎａ＜ｎｒ＜ｎｂまたはｎｂ＜ｎｒ＜ｎａであり、
前記第１の反射面に垂直な方向における各層の厚さは、λ／（４ｎｒ）の０．８倍以上１．２倍以下である、
請求項１に記載の光デバイス。
【請求項６】
各層の屈折率ｎｒは、（ｎａｎｂ）１／２の０．８倍以上１．２倍以下である、
請求項５に記載の光デバイス。
【請求項７】
前記複数の層は、ＳｉＯ２、ＴａＯ、ＴｉＯ、ＮｂＯ、Ｓｉ、およびＮｂ２Ｏ５からなる群から選択される少なくとも１つを含む、
請求項５または６に記載の光デバイス。
【請求項８】
前記第２のミラーの前記第２の反射面とは反対の側に位置する基板をさらに備える、
請求項１から７のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項９】
前記第２のミラーの前記第２の反射面とは反対の側に位置する第２の誘電体層をさらに備え、
前記基板は、前記第２のミラーと前記第２の誘電体層との間に位置する、
請求項８に記載の光デバイス。
【請求項１０】
前記第１のミラーと前記誘電体層との間に位置する第２の基板をさらに備える、
請求項１から９のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項１１】
前記光導波層は、液晶材料または電気光学材料を含み、
前記光導波層を間に挟む一対の電極と、
前記一対の電極に電圧を印加することにより、前記光導波層の前記少なくとも一部の屈折率を変化させる制御回路と、
をさらに備える、
請求項１から１０のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項１２】
前記第１および第２のミラーの少なくとも一方に接続された少なくとも１つのアクチュエータと、
前記少なくとも１つのアクチュエータを制御して前記第１のミラーと前記第２のミラーとの距離を変化させることにより、前記光導波層の厚さを変化させる制御回路と、
をさらに備える、
請求項１から１０のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項１３】
前記光導波層に接続され、実効屈折率がｎｅ１である導波モードの光を前記第１の方向に沿って伝搬させる導波路をさらに備え、
前記導波路の先端部は、前記光導波層の内部にあり、
前記第１の反射面に垂直な方向から見て前記導波路および前記光導波層が重なる領域において、前記導波路および前記光導波層の少なくとも一部は、前記第１の方向に沿って屈折率が周期ｐで変化する少なくとも１つのグレーティングを含み、
λ／ｎｅ１＜ｐ＜λ／（ｎｅ１−１）
を満たす、
請求項１から１２のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項１４】
前記第２の方向に配列された複数の導波路ユニットを備え、
各導波路ユニットは、前記第１および第２のミラーと、前記光導波層と、前記誘電体層とを備える、
請求項１から１２のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項１５】
前記複数の導波路ユニットにそれぞれ接続された複数の位相シフタであって、それぞれが、前記複数の導波路ユニットの対応する１つにおける前記光導波層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複数の位相シフタをさらに備え、
前記複数の位相シフタを通過する光の位相の差をそれぞれ変化させることにより、前記第１のミラーから出射する前記光の方向、または、前記第１のミラーを介して前記光導波層に取り込まれる前記光の入射方向が変化する、
請求項１４に記載の光デバイス。
【請求項１６】
前記第２の方向に配列された複数の導波路ユニットを備え、
各導波路ユニットは、前記第１および第２のミラーと、前記光導波層と、前記誘電体層と、前記導波路とを備える、
請求項１３に記載の光デバイス。
【請求項１７】
前記複数の導波路ユニットにそれぞれ接続された複数の位相シフタであって、それぞれが、前記複数の導波路ユニットの対応する１つにおける前記導波路に直接的にまたは他の導波路を介して繋がる第２の導波路を含む複数の位相シフタをさらに備え、
前記複数の位相シフタを通過する光の位相の差をそれぞれ変化させることにより、前記第１のミラーから出射する前記光の方向、または、前記第１のミラーを介して前記光導波層に取り込まれる前記光の入射方向が変化する、
請求項１６に記載の光デバイス。
【請求項１８】
請求項１から１７のいずれかに記載の光デバイスと、
前記光デバイスから出射され、対象物から反射された光を検出する光検出器と、
前記光検出器の出力に基づいて、距離分布データを生成する信号処理回路と、
を備える光検出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、光デバイスに関する。
【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ことが開示されている。
【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】
【特許文献１】国際公開第２０１３／１６８２６６号
【特許文献２】特表２０１６−５０８２３５号公報
【特許文献３】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の方向および前記第１の方向に垂直な第２の方向に拡がる第１の反射面を有する第１のミラーと、前記第１の反射面に対向する第２の反射面を有する第２のミラーと、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間の領域の一部に位置し、真空における波長がλである光を前記第１の方向に沿って伝搬させる光導波層と、前記第１のミラーの前記第１の反射面とは反対の側に位置する誘電体層と、を備える。前記第１のミラーにおける前記光の透過率は、前記第２のミラーにおける前記光の透過率よりも高く、前記光導波層は、屈折率および／または厚さを調整することが可能な構造を有し、前記光導波層の屈折率および／または厚さを調整することにより、前記光導波層から前記第１のミラーを介して出射する光の方向、または前記第１のミラーを介して前記光導波層内に取り込まれる光の入射方向が変化する。
【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】
【図１】図１は、本開示の例示的な実施形態における光スキャンデバイスの構成を模式的に示す斜視図である。
【図２】図２は、１つの導波路素子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３】図３は、シミュレーションにおいて用いた計算モデルを模式的に示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、光導波層の一例における屈折率と、光の出射角度との関係を計算した結果を示している。
【図４Ｂ】図４Ｂは、光導波層の他の例における屈折率と、光の出射角度との関係を計算した結果を示している。
【図５】図５は、光スキャンデバイスの例を模式的に示す図である。
【図６Ａ】図６Ａは、比較例の構成を模式的に示す断面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、他の比較例の構成を模式的に示す断面図である。
【図７】図７は、導波路の屈折率を変化させたときの結合効率の変化の例を示すグラフである。
【図８Ａ】図８Ａは、全反射導波路の概略構成を示す図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、全反射導波路の電場強度分布を示す図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、スローライト導波路の概略構成を示す図である。
【図８Ｄ】図８Ｄは、スローライト導波路の電場強度分布を示す図である。
【図９】図９は、複数の第１の導波路と複数の第２の導波路との接続の例を模式的に示す図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、基板上に設けられたスローライト導波路の例を模式的に示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、２つの基板によって挟まれたスローライト導波路の例を模式的に示す図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本開示の実施形態における光デバイスの一例を模式的に示す図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本開示の実施形態における光デバイスの一例を模式的に示す図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、本開示の実施形態における光デバイスの一例を模式的に示す図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、本開示の実施形態における光デバイスの一例を模式的に示す図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、本開示の実施形態における光デバイスの一例を模式的に示す図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、本開示の実施形態における光デバイスの一例を模式的に示す図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、本開示の実施形態における光デバイスの一例を模式的に示す図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、本開示の実施形態における開口部を備える反り防止膜の一例を模式的に示す図である。
【図１５】図１５は、本開示のある実施形態における光デバイスを模式的に示す図である。
【図１６】図１６は、全反射導波路からスローライト導波路へのグレーティングを介した光伝搬を示す図である。
【図１７】図１７は、グレーティングが存在しない構成の例を示す図である。
【図１８Ａ】図１８Ａは、全反射導波路における導波モードの電界強度分布を示す図である。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、スローライト導波路における高次の導波モードの電界強度分布を示す図である。
【図１９】図１９は、グレーティングにおける凹部の深さと、結合効率との関係の例を示す図である。
【図２０】図２０は、結合効率の低い条件で計算した光伝搬の様子を示す図である。
【図２１】図２１は、グレーティングにおける凹部の個数と、結合効率との関係の例を示す図である。
【図２２Ａ】図２２Ａは、光デバイスの第１の変形例を模式的に示す断面図である。
【図２２Ｂ】図２２Ｂは、光デバイスの第２の変形例を模式的に示す断面図である。
【図２２Ｃ】図２２Ｃは、光デバイスの第３の変形例を模式的に示す断面図である。
【図２３Ａ】図２３Ａは、光デバイスの第４の変形例を模式的に示す断面図である。
【図２３Ｂ】図２３Ｂは、光デバイスの第５の変形例を模式的に示す断面図である。
【図２４Ａ】図２４Ａは、全反射導波路およびスローライト導波路の接続の第１の例を模式的に示す断面図である。
【図２４Ｂ】図２４Ｂは、全反射導波路およびスローライト導波路の接続の第２の例を模式的に示す断面図である。
【図２４Ｃ】図２４Ｃは、全反射導波路およびスローライト導波路の接続の第３の例を模式的に示す断面図である。
【図２４Ｄ】図２４Ｄは、全反射導波路およびスローライト導波路の接続の第４の例を模式的に示す断面図である。
【図２５】図２５は、スローライト導波路の他の例を模式的に示す断面図である。
【図２６】図２６は、全反射導波路およびスローライト導波路の接続の他の例を模式的に示す断面図である。
【図２７】図２７は、図２２Ａに示す例における、光導波層の厚さと、導波光の結合効率との関係を示す図である。
【図２８Ａ】図２８Ａは、図２２Ａに示す例において、２つのグレーティングを有する光デバイスを模式的に示す図である。
【図２８Ｂ】図２８Ｂは、図２８Ａに示す例における、光導波層の厚さと、導波光の結合効率との関係を示す図である。
【図２８Ｃ】図２８Ｃは、図２８Ａに示す例における、光導波層の厚さおよび領域１０１の屈折率と、導波光の結合効率との関係を示す他の図である。
【図２８Ｄ】図２８Ｄは、図２８Ａに示す例における、光導波層の厚さと、導波光の結合効率との関係を示す他の図である。
【図２９Ａ】図２９Ａは、図２８Ａに示す例の変形例を模式的に示す断面図である。
【図２９Ｂ】図２９Ｂは、図２８Ａに示す例の変形例を模式的に示す断面図である。
【図２９Ｃ】図２９Ｃは、図２８Ａに示す例の変形例を模式的に示す断面図である。
【図２９Ｄ】図２９Ｄは、図２８Ａに示す例の変形例を模式的に示す断面図である。
【図３０Ａ】図３０Ａは、２つのグレーティングがＹ方向に並んでいる例を模式的に示す図である。
【図３０Ｂ】図３０Ｂは、グレーティングの周期がＹ方向における位置の変化に伴ってｐ２からｐ１に連続的に変化する例を模式的に示す図である。
【図３１】図３１は、２つの周期成分を含むグレーティングが混在している例を模式的に示す他の図である。
【図３２Ａ】図３２Ａは、光導波層の両隣にスペーサが配置されている構成例を模式的に示す図である。
【図３２Ｂ】図３２Ｂは、導波路アレイの構成例を模式的に示す図である。
【図３３】図３３は、光導波層内の導波光の伝搬を模式的に示す図である。
【図３４Ａ】図３４Ａは、グレーティングを介して第１の導波路に光が導入される例を示す図である。
【図３４Ｂ】図３４Ｂは、第１の導波路１の端面から光が入力される例を示す図である。
【図３４Ｃ】図３４Ｃは、レーザー光源から第１の導波路に光が入力される例を示す図である。
【図３５Ａ】図３５Ａ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３５Ｂ】図３５Ｂ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３６】図３６は、３次元空間における導波路アレイを模式的に示す斜視図である。
【図３７Ａ】図３７Ａは、ｐがλよりも大きい場合において、導波路アレイから回折光が出射される様子を示す模式図である。
【図３７Ｂ】図３７Ｂは、ｐがλよりも小さい場合において、導波路アレイから回折光が出射される様子を示す模式図である。
【図３７Ｃ】図３７Ｃは、ｐがλ／２に実質的に等しい場合において、導波路アレイから回折光が出射される様子を示す模式図である。
【図３８】図３８は、位相シフタが導波路素子に直接的に接続されている構成の例を示す模式図である。
【図３９】図３９は、導波路アレイおよび位相シフタアレイを、光出射面の法線方向（Ｚ方向）から見た模式図である。
【図４０】図４０は、位相シフタにおける導波路が、導波路素子における光導波層と、他の導波路を介して繋がる構成の例を模式的に示す図である。
【図４１】図４１は、光分岐器にカスケード状に並ぶ複数の位相シフタ８０を挿入した構成例を示す図である。
【図４２Ａ】図４２Ａは、第１調整素子の構成の一例を模式的に示す斜視図である。
【図４２Ｂ】図４２Ｂは、第１調整素子の他の構成例を模式的に示す斜視図である。
【図４２Ｃ】図４２Ｃは、第１調整素子のさらに他の構成例を模式的に示す斜視図である。
【図４３】図４３は、ヒーターを含む調整素子と導波路素子とを組み合わせた構成の例を示す図である。
【図４４】図４４は、支持部材でミラーが保持された構成例を示す図である。
【図４５】図４５は、ミラーを移動させる構成の一例を示す図である。
【図４６】図４６は、光の伝搬を妨げない位置に電極配置した構成例を示す図である。
【図４７】図４７は、圧電素子の例を示す図である。
【図４８Ａ】図４８Ａは、ユニモルフの構造を有する支持部材の構成例を示す図である。
【図４８Ｂ】図４８Ｂは、支持部材が変形した状態の例を示す図である。
【図４９Ａ】図４９Ａは、バイモルフの構造を有する支持部材の構成例を示す図である。
【図４９Ｂ】図４９Ｂは、支持部材が変形した状態の例を示す図である。
【図５０】図５０は、アクチュエータの例を示す図である。
【図５１Ａ】図５１Ａは、支持部材の先端の傾きを説明するための図である。
【図５１Ｂ】図５１Ｂは、伸縮する方向の異なる２つのユニモルフ型の支持部材を直列に繋ぎ合わせた例を示す図である。
【図５２】図５２は、複数の第１のミラーを保持する支持部材をアクチュエータで一括して駆動する構成の例を示す図である。
【図５３】図５３は、複数の導波路素子における第１のミラーが１つのプレート状のミラーである構成例を示す図である。
【図５４Ａ】図５４Ａは、光導波層に液晶材料を用いた構成の第１の例を示す図である。
【図５４Ｂ】図５４Ｂは、光導波層に液晶材料を用いた構成の第１の例を示す図である。
【図５５】図５５は、光入力装置を備える光スキャンデバイスの例を示す断面図である。
【図５６Ａ】図５６Ａは、光導波層に液晶材料を用いた構成の第２の例を示す図である。
【図５６Ｂ】図５６Ｂは、光導波層に液晶材料を用いた構成の第２の例を示す図である。
【図５７Ａ】図５７Ａは、光導波層に液晶材料を用いた構成の第３の例を示す図である。
【図５７Ｂ】図５７Ｂは、光導波層に液晶材料を用いた構成の第３の例を示す図である。
【図５８Ａ】図５８Ａは、光導波層に液晶材料を用いた構成の第４の例を示す図である。
【図５８Ｂ】図５８Ｂは、光導波層に液晶材料を用いた構成の第４の例を示す図である。
【図５９】図５９は、光導波層に液晶材料を使用した構成における、光の射出角度の印加電圧依存性を示すグラフである。
【図６０】図６０は、本実験で用いた導波路素子の構成を示す断面図である。
【図６１】図６１は、光導波層に電気光学材料を用いた構成の第１の例を示す図である。
【図６２】図６２は、光導波層に電気光学材料を用いた構成の第１の例を示す図である。
【図６３Ａ】図６３Ａは、一対の電極が第２のミラーの近傍にのみ配置されている例を示す図である。
【図６３Ｂ】図６３Ｂは、一対の電極が第１のミラーの近傍にのみ配置されている例を示す図である。
【図６４】図６４は、それぞれの導波路素子の電極から配線を共通に取り出す構成の例を示す図である。
【図６５】図６５は、一部の電極および配線を共通にした構成の例を示す図である。
【図６６】図６６は、複数の導波路素子に対して共通の電極を配置した構成の例を示す図である。
【図６７】図６７は、位相シフタアレイを配置する領域を大きく確保して、導波路アレイを小さく集積した構成の例を模式的に示す図である。
【図６８】図６８は、２つの位相シフタアレイが、導波路アレイ１０Ａの両側にそれぞれ配置された構成例を示す図である。
【図６９Ａ】図６９Ａは、導波路素子の配列方向および導波路素子が延びる方向が直交していない導波路アレイの構成例を示している。
【図６９Ｂ】図６９Ｂは、導波路素子の配列間隔が一定でない導波路アレイの構成例を示している。
【図７０Ａ】図７０Ａは、本実施形態における光スキャンデバイスを模式的に示す図である。
【図７０Ｂ】図７０Ｂは、図７０Ａに示した光スキャンデバイスの断面図である。
【図７０Ｃ】図７０Ｃは、図７０Ａに示したる光スキャンデバイスの他の断面図である。
【図７１Ａ】図７１Ａは、第２のミラーと導波路との間に誘電体層が配置された構成例を示す図である。
【図７１Ｂ】図７１Ｂは、第１の導波路の上に第２の誘電体層がさらに配置された構成例を示す図である。
【図７２】図７２は、第２のミラーが第１の導波路と基板との間の領域に配置されていない構成例を示す図である。
【図７３】図７３は、第２のミラーが第１の導波路１と基板との間において薄くなっている構成例を示す図である。
【図７４Ａ】図７４Ａは、第２のミラーの厚さが段階的に変化する構成例を示す図である。
【図７４Ｂ】図７４Ｂは、上部電極、第１のミラー、および第２の基板が、第１の導波路１における保護と、第２の導波路における光導波層との上に跨って配置されている構成例を示す図である。
【図７４Ｃ】図７４Ｃは、図７４Ｂの構成例の製造過程の一部を示す図である。
【図７５】図７５は、複数の第２の導波路の断面を示す図である。
【図７６】図７６は、第１の導波路１および第２の導波路が反射型導波路である構成例を示す図である。
【図７７】図７７は、上部電極が第１のミラーの上に配置されており、下部電極が第２のミラーの下に配置されている構成例を示す図である。
【図７８】図７８は、第１の導波路が２つの部分に分離された例を示す図である。
【図７９】図７９は、電極が、各光導波層と、各光導波層に隣接する光導波層との間に配置されている構成例を示す図である。
【図８０】図８０は、第１のミラーが厚く、第２のミラー０が薄い構成例を示す図である。
【図８１】図８１は、ある実施形態における光スキャンデバイスの断面図である。
【図８２】図８２は、光ロスの割合とｙ１の関係を示す図である。
【図８３】図８３は、本実施形態における導波路アレイの別の構成例を模式的に示す、光スキャンデバイスの断面図である。
【図８４Ａ】図８４Ａは、図３２Ｂの構成例における、電場強度分布の計算結果を示す図である。
【図８４Ｂ】図８４Ｂは、図８３の構成例における、電場強度分布の計算結果を示す図である。
【図８５】図８５は、ある実施形態において、異なる屈折率を有するスペーサが存在する構成例を模式的に示す、光スキャンデバイスの断面図である。
【図８６】図８６は、変形例における導波路素子の構成例を模式的に示す、光スキャンデバイスの断面図である。
【図８７】図８７は、光導波領域の幅と電界の広がりとの関係を示す図である。
【図８８】図８８は、本実施形態おける、光導波領域および非導波領域の構成例を模式的に示す光スキャンデバイスの断面図である。
【図８９Ａ】図８９Ａは、導波モードの電界分布の計算結果を示す図である。
【図８９Ｂ】図８９Ｂは、導波モードの電界分布の計算結果を示す図である。
【図９０】図９０は、ミラー間距離に対する部材の寸法の比と電界の広がりとの関係を示す図である。
【図９１】図９１は、図９０の例における、ミラー間距離に対する部材の寸法の比と導波モードの消衰係数との関係を示す図である。
【図９２】図９２は、ミラー間距離に対する部材の寸法の比と電界の広がりとの関係を示す図である。
【図９３】図９３は、光導波領域および非導波領域の構成を模式的に示す光スキャンデバイスの断面図である。
【図９４】図９４は、ミラー間距離に対する部材の寸法の比と電界の広がりとの関係を示す図である。
【図９５Ａ】図９５Ａは、第２のミラーの反射面の一部に、他の部分から盛り上がった凸部が設けられた例を示す断面図である。
【図９５Ｂ】図９５Ｂは、第２のミラーの反射面の一部に凸部が設けられた他の例を模式的に示す断面図である。
【図９６】図９６は、第１のミラー側に２つの部材が離れて配置されている構成例を模式的に示す光スキャンデバイスの断面図である。
【図９７】図９７は、第１および第２のミラーの両側の各々に２つの部材が離れて配置されている構成例を模式的に示す光スキャンデバイスの断面図である。
【図９８】図９８は、第１のミラー側に２つの部材が離れて配置され、第２のミラー側に他の部材が配置されている構成例を模式的に示す光スキャンデバイスの断面図である。
【図９９】図９９は、第２のミラー側に２つの部材が離れて配置されている構成例を模式的に示す光スキャンデバイスの断面図である。
【図１００】図１００は、第１および第２のミラーの両側の各々に部材が配置されている構成例を示す光スキャンデバイスの断面図である。
【図１０１】図１０１は、回路基板上に光分岐器、導波路アレイ、位相シフタアレイ、および光源などの素子を集積した光スキャンデバイスの構成例を示す図である。
【図１０２】図１０２は、光スキャンデバイス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。
【図１０３】図１０３は、測距画像を生成することが可能なＬｉＤＡＲシステムの構成例を示すブロック図である。
【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】
本発明者らは、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】
本発明者らは、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。本発明者らは、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。このように、本開示の実施形態によれば、比較的簡単な構成で、光による２次元スキャンを実現することができる。
【００１８】
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。以下の説明では、主に光導波層の屈折率または厚さを制御する形態を説明する。以下の各実施形態において、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。
【００１９】
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。
【００２０】
本開示の実施形態による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。
【００２１】
＜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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
本明細書において、２つの方向が「平行」とは、厳密に平行であることのみならず、両者のなす角度が１５度以下である形態を含む。本明細書において、２つの方向が「垂直」とは、厳密に垂直であることを意味せず、両者のなす角度が７５度以上１０５度以下である形態を含む。
【００２５】
図１は、本開示の例示的な実施形態における光スキャンデバイス１００の構成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。本実施形態では、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。本実施形態では、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、本開示の実施形態が現実に実施されるとき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」と呼ぶ場合がある）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】
なお、後述するように、複数の導波路素子１０の複数の第１のミラー３０は、一体に構成された第３のミラーの複数の部分であってもよい。また、複数の導波路素子１０の複数の第２のミラー４０は、一体に構成された第４のミラーの複数の部分であってもよい。さらに、複数の導波路素子１０の複数の光導波層２０は、一体に構成された光導波層の複数の部分であってもよい。少なくとも、（１）各第１のミラー３０が他の第１のミラー３０と別体に構成されているか、（２）各第２のミラー４０が他の第２のミラー４０と別体に構成されているか、（３）各光導波層２０が他の光導波層２０と別体に構成されていることにより、複数の導波路を形成することができる。「別体に構成されている」とは、物理的に空間を設けることのみならず、間に屈折率が異なる材料を挟み、分離することも含む。
【００２９】
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」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。
【００３０】
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。
【００３１】
本発明者らは、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詳しく分析を行った。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。
【００３２】
図１に示されるように、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。本実施形態では、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。
【００３３】
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。
【００３４】
以下、光スキャンデバイス１００の動作原理をより詳細に説明する。
【００３５】
＜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から光の一部を出力することができる。
【００３６】
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、本実施形態における導波路素子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。このような導波路を、「反射型導波路」または「スローライト導波路」と呼ぶ。
【００３７】
導波路素子１０の光の伝搬について、より詳しく説明する。光導波層２０の屈折率をｎｗ、光導波層２０の厚さをｄとする。ここで、光導波層２０の厚さｄは、ミラー３０または４０の反射面の法線方向における光導波層２０のサイズである。光の干渉条件を考慮すると、波長λの光の伝搬角度θｗは、以下の式（１）を満たす。
【数１】
2019174538.tif 000003
【００３８】
ｍはモード次数である。式（１）は、光導波層２０内の光が厚さ方向に定在波を形成する条件に相当する。光導波層２０内の波長λｇがλ／ｎｗのとき、光導波層２０の厚さ方向における波長λｇ’はλ／（ｎｗｃｏｓθｗ）であると考えることができる。光導波層２０の厚さｄが、光導波層２０の厚さ方向における波長λｇ’の半分λ／（２ｎｗｃｏｓθｗ）の整数倍と等しいとき、定在波が形成される。この条件から式（１）が得られる。なお、式（１）におけるｍは定在波の腹（ａｎｔｉ−ｎｏｄｅ）の数を表す。
【００３９】
ミラー３０および４０が多層膜ミラーである場合、反射時にミラー内部にも光が侵入する。このため、厳密には、光が侵入した分の光路長に対応する項を式（１）の左辺に付け加える必要がある。しかし、ミラー内部への光の侵入の影響よりも光導波層２０の屈折率ｎｗおよび厚さｄの影響の方が遥かに大きいため、式（１）によって基本的な動作を説明できる。
【００４０】
光導波層２０内を伝搬する光が、第１のミラー３０を通じて外部（典型的には空気）に出射されるときの出射角度θは、スネルの法則にしたがって以下の式（２）のように記述できる。
【数２】
2019174538.tif 000004
【００４１】
式（２）は、光の出射面において、空気側の光の面方向における波長λ／ｓｉｎθと、導波路素子１０側の光の伝搬方向の波長λ／（ｎｗｓｉｎθｗ）とが等しいという条件から得られる。
【００４２】
式（１）および式（２）より、出射角度θは、以下の式（３）のように記述できる。
【数３】
2019174538.tif 000005
【００４３】
式（３）からわかるように、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で光の出射方向を変えることができる。
【００４４】
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。
【００４５】
そこで、本開示の実施形態における光スキャンデバイス１００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つを制御することで、光の出射方向を制御する。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。
【００４６】
本発明者らは、上記のような特定方向への光の出射が実際に可能であるかを光学解析によって検証した。光学解析は、サイバネット社のＤｉｆｆｒａｃｔＭＯＤを用いた計算によって行った。これは、厳密結合波解析（ＲＣＷＡ：Ｒｉｇｏｒｏｕｓ  Ｃｏｕｐｌｅｄ−Ｗａｖｅ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）に基づいたシミュレーションであり、波動光学の効果を正確に計算することができる。
【００４７】
図３は、本シミュレーションにおいて用いた計算モデルを模式的に示す図である。この計算モデルでは、基板５０上に、第２のミラー４０と、光導波層２０と、第１のミラー３０とが、この順に積層されている。第１のミラー３０および第２のミラー４０は、いずれも誘電体多層膜を含む多層膜ミラーである。第２のミラー４０は、相対的に屈折率の低い低屈折率層４２および相対的に屈折率の高い高屈折率層４４を交互に６層ずつ（計１２層）積層した構造を有する。第１のミラー３０は、低屈折率層４２および高屈折率層４４を交互に２層ずつ（すなわち、計４層）積層した構造を有する。ミラー３０とミラー４０の間に光導波層２０が配置されている。導波路素子１０および基板５０以外の媒質は空気である。
【００４８】
このモデルを用いて、光の入射角度を変化させながら入射光に対する光学応答を調べた。これは、空気からの入射光と光導波層２０とが、どの程度結合するかを調べることに対応している。入射光が光導波層２０と結合する条件では、光導波層２０を伝搬した光が外部に出射されるという逆の過程も起きる。よって、入射光が光導波層２０と結合する場合の入射角度を求めることは、光導波層２０を伝搬した光が外部に出射する際の出射角度を求めることに相当する。入射光が光導波層２０と結合すると、光導波層２０内において光の吸収および散乱によるロスが生じる。つまり、大きなロスが生じる条件では、入射光が光導波層２０に強く結合しているということになる。吸収などによる光のロスがなければ、光の透過率および反射率の合計が１になる。しかし、ロスがあれば、透過率および反射率の合計は１よりも小さくなる。本計算では、光の吸収の影響を取り入れるために、光導波層２０の屈折率に虚部を導入し、１から透過率および反射率の合計を引いた値をロスの大きさとして計算した。
【００４９】
本シミュレーションでは、基板５０はＳｉ、低屈折率層４２はＳｉＯ２（厚さ２６７ｎｍ）、高屈折率層４４はＳｉ（厚さ１０８ｎｍ）であるものとした。波長λ＝１．５５μｍの光を、角度を様々に変えて入射したときのロスの大きさを計算した。
【００５０】
図４Ａは、光導波層２０の厚さｄが７０４ｎｍの場合における光導波層２０の屈折率ｎｗと、モード次数ｍ＝１の光の出射角度θとの関係を計算した結果を示している。白い線はロスが大きいことを表している。図４Ａに示されているように、ｎｗ＝２．２付近でモード次数ｍ＝１の光の出射角度がθ＝０°となる。ｎｗ＝２．２に近い屈折率をもつ物質には、例えばニオブ酸リチウムがある。
【００５１】
図４Ｂは、光導波層２０の厚さｄが４４６ｎｍの場合における光導波層２０の屈折率ｎｗと、モード次数ｍ＝１の光の出射角度θとの関係を計算した結果を示している。図４Ｂに示されているように、ｎｗ＝３．４５付近でモード次数ｍ＝１の光の出射角度がθ＝０°となる。ｎｗ＝３．４５に近い屈折率をもつ物質には、例えばシリコン（Ｓｉ）が挙げられる。
【００５２】
このように、光導波層２０の厚さｄを調整することにより、特定の光導波層２０の屈折率ｎｗに対して、特定のモード次数（例えばｍ＝１）の光の出射角度θが０°となるように設計できる。
【００５３】
図４Ａおよび図４Ｂに示すように、屈折率の変化に応じて、出射角度θが大きく変わることが確認できた。後述するように、屈折率は、例えばキャリア注入、電気光学効果、および熱光学効果などの様々な方法によって変化させることができる。そのような方法による屈折率の変化は０．１程度とあまり大きくない。そのため、これまでは、そのような小さな屈折率の変化では出射角度はそれほど大きく変化しないと考えられていた。しかし、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、出射角度がθ＝０°となる屈折率付近では、屈折率が０．１増加すると出射角度θが０°から約３０°にまで変化することがわかった。このように、本実施形態における導波路素子１０では、小さい屈折率変化であっても、出射角度を大きく調整することが可能である。
【００５４】
同様に、図４Ａおよび図４Ｂの比較からわかるように、光導波層２０の厚さｄの変化に応じて、出射角度θが大きく変わることが確認できた。後述するように、厚さｄは、例えば２つのミラーの少なくとも一方に接続されたアクチュエータによって変化させることができる。厚さｄの変化が小さくても、出射角度を大きく調整することができる。
【００５５】
このように、光導波層２０の屈折率ｎｗおよび／または厚さｄを変化させることにより、導波路素子１０から出射される光の方向を変えることができる。同様に、光導波層２０に入力する光の波長を変化させることによっても、導波路素子１０から出射される光の方向を変えることができる。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。第１調整素子の構成例については、後述する。
【００５６】
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で、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。
【００５７】
図５は、単一の導波路素子１０によって１次元スキャンを実現する光スキャンデバイス１００の例を模式的に示す図である。この例では、Ｙ方向に広がりのあるビームスポットが形成される。光導波層２０の屈折率、厚さ、波長の少なくとも１つを変化させることにより、ビームスポットをＸ方向に沿って移動させることができる。これにより、１次元スキャンが実現される。ビームスポットがＹ方向に広がりをもつため、一軸方向のスキャンであっても、２次元的に拡がる比較的広いエリアをスキャンすることができる。２次元スキャンが不要な用途では、図５に示すような構成も採用し得る。
【００５８】
２次元スキャンを実現する場合には、図１に示すように、複数の導波路素子１０が配列された導波路アレイが用いられる。複数の導波路素子１０内を伝搬する光の位相が特定の条件を満たすとき、光は特定の方向に出射する。その位相の条件が変化すると、光の出射方向が導波路アレイの配列方向にも変化する。すなわち、導波路アレイを用いることにより、２次元スキャンを実現することができる。２次元スキャンを実現するためのより具体的な構成の例については後述する。
【００５９】
以上のように、少なくとも１つの導波路素子１０を用いて、導波路素子１０における光導波層２０の屈折率、光導波層２０の厚さ、および波長の少なくとも１つを変化させることにより、光の出射方向を変化させることができる。本開示の実施形態における導波路素子１０は、光の全反射を利用する一般的な全反射導波路とは異なり、光導波層が一対のミラーに挟まれた反射型導波路の構造を備える。このような反射型導波路への光の結合については、これまでに十分に検討されてこなかった。本発明者らは、光導波層２０に光を効率的に導入するための構造についても検討した。
【００６０】
図６Ａは、空気およびミラー３０を介して間接的に光が光導波層２０に入力される構成の例を模式的に示す断面図である。この例では、反射型導波路である導波路素子１０の光導波層２０に対して、外部から空気およびミラー３０を介して間接的に伝播光が導入される。光導波層２０に光を導入するためには、光導波層２０の内部における導波光の反射角θｗに対して、スネルの法則（ｎｉｎｓｉｎθｉｎ＝ｎｗｓｉｎθｗ）を満たす必要がある。ここで、ｎｉｎは外部媒質の屈折率、θｉｎは伝播光の入射角、ｎｗは光導波層２０の屈折率である。この条件を考慮して入射角θｉｎを調整することにより、光の結合効率を最大化することができる。さらに、この例では、第１のミラー３０の一部に多層反射膜の膜数を減らした部分が設けられている。その部分から光が入力されることで結合効率を高めることができる。しかし、このような構成では、光導波層２０の伝搬定数の変化に起因するθｗａｖの変化に応じて、光導波層２０への光の入射角θｉｎを変化させる必要が生じる。
【００６１】
光導波層２０の伝搬定数の変化が生じても、光が常に導波路に結合できる状態を保つことが重要である。そのために、多層反射膜の膜数を減らした部分に角度広がりのあるビームを入射する方法がある。図６Ｂは、そのような方法の一例を示している。この例では、導波路素子１０に、ミラー３０の法線方向に対して角度θｉｎだけ傾けて配置された光ファイバー７から角度広がりのある光が導入される。このような構成によって、外部から空気およびミラー３０を介して間接的に光を入射した場合の結合効率について検討する。
【００６２】
簡単のため光を光線として考える。通常のシングルモードファイバーの開口数（ＮＡ）は０．１４程度である。これは角度に換算すると約±８度である。導波路に結合する光の入射角度の範囲は、導波路から出射される光の広がり角と同程度である。出射光の広がり角θｄｉｖは、以下の式（４）で表される。
【数４】
2019174538.tif 000006
【００６３】
ここでＬは伝搬長、λは光の波長、θｏｕｔは光の出射角である。Ｌを１０μｍ以上とすると、θｄｉｖは大きくても１度以下である。したがって、光ファイバー７からの光の結合効率は、１／１６×１００％（すなわち、約６．３％）以下である。さらに、光の入射角θｉｎを固定し、導波路の屈折率ｎｗを変化させることによって光の出射角θｏｕｔを変化させたときの結合効率の変化を計算した結果を図７に示す。結合効率は、入射光のエネルギーに対する導波光のエネルギーの比を表す。図７に示す結果は、入射角θｉｎを３０°、導波路膜厚を１．１２５μｍ、波長を１．５５μｍとして、結合効率を計算することによって得られた。この計算では、屈折率ｎｗを１．４４から１．７８の範囲で変化させることにより、出射角θｏｕｔを１０°から６５°の範囲で変化させた。図７に示すように、このような構成では、結合効率は最大でも７％に満たない。また、出射角θｏｕｔを、結合効率がピークになる出射角から２０°以上変化させると、結合効率はさらに半分以下に低下する。
【００６４】
このように、光スキャンのために導波路の屈折率等を変化させることによって伝搬定数を変化させると、結合効率はさらに低下する。結合効率を維持するためには、伝搬定数の変化に応じて光の入射角θｉｎを変化させる必要がある。しかし、光の入射角θｉｎを変化させる機構を導入すると、装置構成の複雑化を招く。
【００６５】
本発明者らは、屈折率等を変化させる導波路を有する領域の前段に、屈折率が一定に維持される導波路を有する領域を設けることにより、光入射角を固定する事ができることを見出した。さらに、本発明者らは、それらの２種類の導波路を接続して高い光結合効率を実現する方法についても検討した。
【００６６】
異なる２つの導波路における導波光の結合を考える際に重要な要因が２点ある。１つ目は、伝搬光の伝搬定数であり、２つ目はモードの電場強度分布である。これらが２つの導波路において近いほど結合効率は高くなる。導波路における伝搬光の伝搬定数βは、簡単のため幾何光学的に考えると、β＝ｋ・ｓｉｎθｗ＝（２πｎｗｓｉｎθｗ）／λで表される。波数をｋ、導波角度をθｗ、光導波層の屈折率をｎｗとする。全反射型の導波路では、全反射を用いて導波光を導波層に閉じ込めるため、全反射条件であるｎｗｓｉｎθｗ＞１を満たす。一方、スローライト導波路では、導波路の上下に存在する多層反射膜により光を導波路に閉じ込め、導波光の一部を多層反射膜を通して射出するため、ｎｗｓｉｎθｗ＜１となる。全反射型導波路と、導波光の一部を射出するスローライト導波路とでは、伝搬定数は等しくなり得ない。図８Ａに示すような全反射導波路の電場強度分布は、図８Ｂに示すように、ピークを導波路内に持ち、導波路外では単調減少する。他方、図８Ｃに示すようなスローライト導波路は、図８Ｄに示すような電場強度分布を持つ。導波路内にピークを持つ事は変わらないが、図８Ｃに示すスローライト導波路では、導波光が誘電多層膜内において光の干渉により反射する。このため、図８Ｄに示すように電場強度は誘電多層膜に深く染み出し、かつ振動的に変化する。
【００６７】
以上のように、全反射型導波路とスローライト導波路とでは、導波光の伝搬定数、電場強度分布共に大きく異なる。よって、全反射型導波路とスローライト導波路とを直接的に繋げることは従来考えられていなかった。本発明者らは、可変の屈折率および／または厚さを有する光導波層に、直接的に全反射導波路を繋げることができることを発見した。
【００６８】
さらに、本発明者らは、そのような２種類の導波路を、共通の基板上に配置することにより、光スキャンデバイスの作製を容易にできることも見出した。すなわち、一体に形成された一つの基板上に２種類の導波路を配置してもよい。一般的な導波路は、半導体プロセスを用いて、基板上に作製される。例えば、蒸着またはスパッタリングなどによる成膜と、リソグラフィーまたはエッチングなどによる微細加工とを組み合わせた製法が用いられ得る。そのような製法によって、基板の上に導波路の構造を作製することができる。基板の材料として、例えばＳｉ、ＳｉＯ２、ＧａＡｓ、またはＧａＮが用いられ得る。
【００６９】
反射型導波路も、同様の半導体プロセスを用いて作製され得る。反射型導波路では、光導波層を挟む一対のミラーのうち、一方のミラーから光を透過させることよって、光を出射させる。ミラーは、例えば低コストで入手可能なガラス基板の上に作製され得る。ガラス基板の代わりに、例えばＳｉ、ＳｉＯ２、ＧａＡｓ、ＧａＮなどの基板を用いてもよい。
【００７０】
反射型導波路に別の導波路を接続することによって、光を反射型導波路に導入することができる。以下、そのような構造の例を説明する。
【００７１】
図９は、基板５０Ａの上に作製された複数の第１の導波路１と、別の基板５０Ｂの上に作製された複数の第２の導波路１０との接続を模式的に示す図である。２つの基板５０Ａおよび５０Ｂは、ＸＹ平面に平行に配置されている。複数の第１の導波路１および複数の第２の導波路１０は、Ｘ方向に延び、Ｙ方向に配列されている。第１の導波路１は、例えば、光の全反射を利用する一般的な導波路である。第２の導波路１０は、反射型導波路である。別々の基板５０Ａおよび５０Ｂの上にそれぞれ配置された第１の導波路１および第２の導波路１０を位置合わせして接続することによって、第１の導波路１から第２の導波路１０に光を導入することができる。
【００７２】
第１の導波路１から第２の導波路１０に効率よく光を導入するためには、１０ｎｍオーダーの極めて高精度の位置合わせが望まれる。また、高精度の位置合わせができたとしても、２つの基板５０Ａ、５０Ｂの熱膨張係数が異なる場合、温度変化により、位置合わせがずれるおそれがある。例えば、Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＧａＡｓおよびＧａＮの熱膨張係数は、それぞれおよそ４、０．５、６および５（×１０―６／Ｋ）であり、ガラス基材としてよく使われるＢＫ７の熱膨張係数は、９（×１０―６／Ｋ）である。別々の基材としてどの材料を組み合わせても、１×１０―６／Ｋ以上の熱膨張係数の違いが生じる。例えば、複数の第１の導波路１および複数の第２の導波路１０の配列方向（図中ではＹ方向）における２つの基板５０Ａ、５０Ｂのサイズが１ｍｍである場合、１℃の温度変化によって、２つの基板５０Ａ、５０Ｂの位置合わせは、１ｎｍずれる。さらに、数十℃の温度変化によって、２つの基板５０Ａ、５０Ｂの位置合わせは、数十〜百ｎｍのオーダーで大きくずれる。
【００７３】
同じ基板の上に第１の導波路および第２の導波路を配置すれば、上記の課題を解決できる。共通の基板上にこれらの導波路を配置することにより、第１の導波路および第２の導波路の位置合わせが容易になる。さらに、熱膨張による第１の導波路および第２の導波路の位置合わせのずれが抑制される。その結果、第１の導波路から第２の導波路にさらに効率よく光を導入することができる。
【００７４】
上記態様における「第２の導波路」は、前述の実施形態における「導波路素子」に相当する。本開示のある実施形態では、第２の導波路の前段に、屈折率も厚さも一定に維持される第１の導波路が設けられ、第１の導波路に光が入力される。第１の導波路は、入力された光を伝搬させ、第２の導波路の端面から入力する。第１の導波路と第２の導波路とは、端面同士が直接接続されていてもよいし、例えば、端面間にギャップがあってもよい。
【００７５】
上記構成によれば、第１の導波路を第２の導波路（すなわち導波路素子）の前段に設けることにより、第１の導波路に入射する光の入射角を一定に維持しても、スキャンによる結合効率の低下（すなわちエネルギーのロス）を抑制することができる。
【００７６】
同じ基板の上に第１の導波路および第２の導波路を配置した場合には、第１の導波路および第２の導波路の位置合わせが容易になる。さらに、熱膨張による第１および第２の導波路の位置合わせのずれが抑制される。その結果、第１の導波路から第２の導波路へ効率よく光を導入することができる。
【００７７】
＜反射防止膜＞
図１０Ａは、基板上に設けられたスローライト導波路の例を模式的に示す図である。光導波層２０内を伝搬する光２２の一部は、第１のミラー３０から外部に出射される。通常、第１のミラー３０内の最上層と外部の媒質との屈折率の差は、比較的大きい。その場合、図１０Ａに示すように、第１のミラー３０と外部の媒質との界面において、光の反射が生じる。
【００７８】
また、光デバイスは、２つの構造体を貼り合わせて作製され得る。２つの構造体のうち、一方の構造体は、基板５０上に設けられた第２のミラー４０と、第２のミラー４０上に設けられた光導波層２０とを含む。他方の構造体は、基板５０とは他の基板上に設けられた第１のミラー３０を含む。上記２つの構造体の貼り合わせによって作製された光デバイスは、基板５０と他の基板とによって挟まれたスローライト導波路１０を備える。
【００７９】
図１０Ｂは、２つの基板によって挟まれたスローライト導波路の例を模式的に示す図である。第１のミラー３０と第２の基板５３との屈折率差は、比較的小さい。そのため、第１のミラー３０と第２の基板５３との界面における光の反射は大きな問題にはならない。しかし、通常、第２の基板５３と外部の媒質との屈折率の差は、比較的大きい。その場合、図１０Ｂに示すように第２の基板５３と外部の媒質との界面において、光の反射が生じる。
【００８０】
図１０Ａおよび１０Ｂに示すように、界面において光の反射が生じると、第１のミラー３０から外部に出射される光の強度が減少する。そのため、光スキャンに影響を及ぼす可能性がある。
【００８１】
本発明者らは、上記の考察に基づき、第１のミラー３０から外部に出射される光の強度の減少を抑制する光デバイスの構成を検討した。その結果、以下の各実施形態の構成に想到した。
【００８２】
第１の項目に係る光デバイスは、第１の方向および前記第１の方向に垂直な第２の方向に拡がる第１の反射面を有する第１のミラーと、前記第１の反射面に対向する第２の反射面を有する第２のミラーと、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間の領域の一部に位置し、真空における波長がλである光を前記第１の方向に沿って伝搬させる光導波層と、前記第１のミラーの前記第１の反射面とは反対の側に位置する誘電体層と、を備える。前記第１のミラーにおける前記光の透過率は、前記第２のミラーにおける前記光の透過率よりも高い。前記光導波層は、屈折率および／または厚さを調整することが可能な構造を有する。前記光導波層の屈折率および／または厚さを調整することにより、前記光導波層から前記第１のミラーを介して出射する光の方向、または前記第１のミラーを介して前記光導波層内に取り込まれる光の入射方向が変化する。
【００８３】
この光デバイスでは、誘電体層は、第１のミラーの第１の反射面とは反対の側に位置する。当該誘電体層は、反射防止の機能を有する。これにより、光導波層を伝搬する光の一部は、当該誘電体層によってほとんど反射されることなく、効率よく第１のミラーから外部に出射される。
【００８４】
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、前記誘電体層が有する２つの面のうち、一方の面に接触する媒質の屈折率をｎａとし、他方の面に接触する媒質の屈折率をｎｂとし、前記誘電体層の屈折率をｎｒとすると、ｎａ＜ｎｒ＜ｎｂまたはｎｂ＜ｎｒ＜ｎａであり、前記第１の反射面に垂直な方向における前記誘電体層の厚さが、λ／（４ｎｒ）の０．８倍以上１．２倍以下である。
【００８５】
この光デバイスでは、誘電体層の屈折率および／または厚さを調整することにより、第１の項目に係る光デバイスの効果を実現することができる。
【００８６】
第３の項目に係る光デバイスは、第２の項目に係る光デバイスにおいて、前記誘電体層の屈折率ｎｒが、（ｎａｎｂ）１／２の０．８倍以上１．２倍以下である。
【００８７】
この光デバイスでは、第２の項目に係る光デバイスにおいて誘電体層の屈折率をさらに調整することにより、第１の項目に係る光デバイスの効果を実現することができる。
【００８８】
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、前記誘電体層が、ＳｉＯ２、ＴａＯ、ＴｉＯ、ＮｂＯ、Ｓｉ、およびＮｂ２Ｏ５からなる群から選択される１つを含む。
【００８９】
この光デバイスでは、誘電体層の材料を上記の群から選択することにより、第１の項目に係る光デバイスの効果を実現することができる。
【００９０】
第５の項目に係る光デバイスは、第１の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記誘電体層が、屈折率の異なる複数の層を含む。前記複数の層の屈折率は、前記光導波層から離れるにつれて低くなる。各層が有する２つの面のうち、一方の面に接触する媒質の屈折率をｎａとし、他方の面に接触する媒質の屈折率をｎｂとし、各層の屈折率をｎｒとすると、ｎａ＜ｎｒ＜ｎｂまたはｎｂ＜ｎｒ＜ｎａであり、前記第１の反射面に垂直な方向における各層の厚さは、λ／（４ｎｒ）の０．８倍以上１．２倍以下である。
【００９１】
この光デバイスでは、誘電体層は、屈折率が異なる複数の層を含む。各層の屈折率および厚さを調整することにより、誘電体層の反射防止の精度を向上させることができる。
【００９２】
第６の項目に係る光デバイスは、第５の項目に係る光デバイスにおいて、各層の屈折率ｎｒが、（ｎａｎｂ）１／２の０．８倍以上１．２倍以下である。
【００９３】
この光デバイスでは、第５の項目に係る光デバイスにおいて各層の屈折率をさらに調整することにより、第１の項目に係る光デバイスの効果を実現することができる。
【００９４】
第７の項目に係る光デバイスは、第５または第６の項目に係る光デバイスにおいて、前記複数の層が、ＳｉＯ２、ＴａＯ、ＴｉＯ、ＮｂＯ、Ｓｉ、およびＮｂ２Ｏ５からなる群から選択される少なくとも１つを含む。
【００９５】
この光デバイスでは、誘電体層が含む複数の層の材料を上記の群から選択することにより、第１の項目に係る光デバイスの効果を実現することができる。
【００９６】
第８の項目に係る光デバイスは、第１から第７の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記第２のミラーの前記第２の反射面とは反対の側に位置する基板をさらに備える。
【００９７】
この光デバイスでは、第２のミラーの第２の反射面の反対の側に基板を設けても、第１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。
【００９８】
第９の項目に係る光デバイスは、第８の項目に係る光デバイスにおいて、前記第２のミラーの前記第２の反射面とは反対の側に位置する第２の誘電体層をさらに備える。前記基板は、前記第２のミラーと前記第２の誘電体層との間に位置する。
【００９９】
この光デバイスでは、基板は、第２のミラーと第２誘電体層とによって挟まれている。これにより、基板の反りを抑制することができる。
【０１００】
第１０の項目に係る光デバイスは、第１から第９の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記第１のミラーと前記誘電体層との間に位置する第２の基板をさらに備える。
【０１０１】
この光デバイスでは、第１のミラーと誘電体層との間に第２の基板が設けられていても、第１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。第２の基板は、第１のミラーと誘電体層とによって挟まれている。これにより、第２の基板の反りは抑制される。
【０１０２】
第１１の項目に係る光デバイスは、第１から第１０の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記光導波層が、液晶材料または電気光学材料を含み、前記光導波層を間に挟む一対の電極と、前記一対の電極に電圧を印加することにより、前記光導波層の前記少なくとも一部の屈折率を変化させる制御回路と、をさらに備える。
【０１０３】
この光デバイスでは、光導波層は、液晶材料または電気光学材料を含む。一対の電極によって光導波層に電圧を印加することにより、光導波層から第１のミラーを介して出射する光の方向、または第１のミラーを介して光導波層内に取り込まれる光の入射方向が変化する。
【０１０４】
第１２の項目に係る光デバイスは、第１から第１０の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記第１および第２のミラーの少なくとも一方に接続された少なくとも１つのアクチュエータと、前記少なくとも１つのアクチュエータを制御して前記第１のミラーと前記第２のミラーとの距離を変化させることにより、前記光導波層の厚さを変化させる制御回路と、をさらに備える。
【０１０５】
この光デバイスでは、アクチュエータは、第１および第２のミラーの少なくとも一方に接続されている。アクチュエータを制御して第１のミラーと第２のミラーとの距離を変化させることにより、光導波層から第１のミラーを介して出射する光の方向、または第１のミラーを介して光導波層内に取り込まれる光の入射方向が変化する。
【０１０６】
第１３の項目に係る光デバイスは、第１から第１２の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記光導波層に接続され、実効屈折率がｎｅ１である導波モードの光を前記第１の方向に沿って伝搬させる導波路をさらに備える。前記導波路の先端部は、前記光導波層の内部にある。前記第１の反射面に垂直な方向から見て前記導波路および前記光導波層が重なる領域において、前記導波路および前記光導波層の少なくとも一部は、前記第１の方向に沿って屈折率が周期ｐで変化する少なくとも１つのグレーティングを含む。さらに、λ／ｎｅ１＜ｐ＜λ／（ｎｅ１−１）が満たされる。
【０１０７】
この光デバイスでは、導波路を伝搬する光は、グレーティングを介して、スローライト導波路である光導波層に高い効率で伝搬することができる。これにより、導波光の高い結合効率を実現することができる。
【０１０８】
第１４の項目に係る光デバイスは、第１から第１２の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記第２の方向に配列された複数の導波路ユニットを備える。各導波路ユニットは、前記第１および第２のミラーと、前記光導波層と、前記誘電体層とを備える。
【０１０９】
この光デバイスでは、第１の項目に係る光デバイスがアレイ化されている。このアレイ化された光デバイスでも、第１の項目に係る光デバイスの効果を得ることができる。
【０１１０】
第１５の項目に係る光デバイスは、第１４の項目に係る光デバイスにおいて、前記複数の導波路ユニットにそれぞれ接続された複数の位相シフタであって、それぞれが、前記複数の導波路ユニットの対応する１つにおける前記光導波層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複数の位相シフタをさらに備える。前記複数の位相シフタを通過する光の位相の差をそれぞれ変化させることにより、前記第１のミラーから出射する前記光の方向、または、前記第１のミラーを介して前記光導波層に取り込まれる前記光の入射方向が変化する。
【０１１１】
この光デバイスでは、位相シフタによって光スキャンおよび光受信の方向を変化させることができる。
【０１１２】
第１６の項目に係る光デバイスは、第１３の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記第２の方向に配列された複数の導波路ユニットを備える。各導波路ユニットは、前記第１および第２のミラーと、前記光導波層と、前記誘電体層と、前記導波路とを備える。
【０１１３】
この光デバイスでは、少なくとも１つのグレーティングを含む導波路をさらに備える第１の項目に係る光デバイスが、アレイ化されている。このアレイ化された光デバイスでも、第１の項目に係る光デバイスの効果を得ることができる。
【０１１４】
第１７の項目に係る光デバイスは、第１６の項目に係る光デバイスにおいて、前記複数の導波路ユニットにそれぞれ接続された複数の位相シフタであって、それぞれが、前記複数の導波路ユニットの対応する１つにおける前記導波路に直接的にまたは他の導波路を介して繋がる第２の導波路を含む複数の位相シフタをさらに備える。前記複数の位相シフタを通過する光の位相の差をそれぞれ変化させることにより、前記第１のミラーから出射する前記光の方向、または、前記第１のミラーを介して前記光導波層に取り込まれる前記光の入射方向が変化する。
【０１１５】
この光デバイスでは、位相シフタによって光スキャンおよび光受信の方向を変化させることができる。
【０１１６】
第１８の項目に係る光検出システムは、第１から第１７の項目のいずれかに記載の光デバイスと、前記光デバイスから出射され、対象物から反射された光を検出する光検出器と、前記光検出器の出力に基づいて、距離分布データを生成する信号処理回路と、を備える。
【０１１７】
この光検出システムでは、対象物から反射された光が戻ってくる時間を計測することにより、対象物の距離分布データを得ることができる。
【０１１８】
図１１Ａおよび１１Ｂは、本開示の実施形態における光デバイスの一例を模式的に示す図である。図１１Ａおよび１１Ｂに示す例では、反射防止膜３５が新たに設けられている。
【０１１９】
本実施形態における光デバイスは、第１および第２のミラー３０、４０と、光導波層２０と、反射防止膜３５と、を備える。
【０１２０】
第１および第２のミラー３０、４０の各々は、ＸＹ平面に平行な反射面を有する。光導波層２０は、第１のミラー３０と第２のミラー４０との間の領域の一部に存在する。光導波層２０は、真空における波長がλである光２２をＸ方向に沿って伝搬させる。第１および第２のミラー３０、４０、および光導波層２０の詳細については、前述した通りである。
【０１２１】
反射防止膜３５は、第１のミラー３０の反射面とは反対の側に設けられている。反射防止膜３５は透光性を有する。図１１Ａに示す例では、反射防止膜３５は、第１のミラー３０上に設けられている。図１１Ｂに示す例では、反射防止膜３５は、第２の基板５３上に設けられている。言い換えれば、図１１Ｂに示す例では、第２の基板５３は、第１のミラー３０と反射防止膜３５との間に存在する。
【０１２２】
この例における反射防止膜３５は単層膜である。反射防止膜３５は、ＳｉＯ２、ＴａＯ、ＴｉＯ、ＮｂＯ、Ｓｉ、およびＮｂ２Ｏ５からなる群から選択される１つを含む。反射防止膜３５が有する２つの面のうち、一方の面に接触する媒質の屈折率をｎａとし、他方の面に接触する媒質の屈折率をｎｂし、反射防止膜３５の屈折率をｎｒとし、反射防止膜３５のＺ方向の厚さをｄｒとする。ｎａ＜ｎｒ＜ｎｂまたはｎｂ＜ｎｒ＜ｎａ、かつ、ｄｒ＝λ／（４ｎｒ）のとき、反射防止膜３５に起因する反射率は最小になる。ｄｒが、例えば、λ／（４ｎｒ）の０．８倍以上１．２倍以下であっても、反射防止膜３５に起因する反射率はある程度小さくなる。
【０１２３】
さらに、ｎｒ＝（ｎａｎｂ）１／２、かつ、ｄｒ＝λ／（４ｎｒ）のとき、反射防止膜３５に起因する反射率は理論上ゼロになる。ｎｒが、例えば、（ｎａｎｂ）１／２の０．８倍以上１．２倍以下であり、かつ、λ／（４（ｎａｎｂ）１／２）の０．８倍以上１．２倍以下であっても、反射防止膜３５に起因する反射率はある程度小さくなる。
【０１２４】
図１１Ａに示す例では、反射防止膜３５が有する２つの面のうち、一方の面に接する媒質は、外部の媒質であり、他方の面に接する媒質は、第１のミラー３０の最上層である。図１１Ｂに示す例では、反射防止膜３５が有する２つの面のうち、一方の面に接する媒質は、外部の媒質であり、他方の面に接する媒質は、第２の基板５３である。
【０１２５】
反射防止膜３５は、屈折率が異なる複数の層を含む多層膜であってもよい。複数の層は、ＳｉＯ２、ＴａＯ、ＴｉＯ、ＮｂＯ、Ｓｉ、およびＮｂ２Ｏ５からなる群から選択される少なくとも１つを含む。多層膜において、複数の層の屈折率は、光導波層２０から離れるにつれて低くなる。多層膜において、各層が、隣接する２つの媒質との関係において上記の屈折率ｎｒおよび厚さｄｒの条件を満たせば、反射防止の精度を向上させることができる。
【０１２６】
反射防止膜３５は、スパッタリングまたは化学気相成長法などの蒸着によって設けられるが、他の方法によって設けられてもよい。
【０１２７】
＜基板の反りの防止＞
図１１Ａおよび１１Ｂに示す例では、第２のミラー４０は、基板５０上に設けられている。言い換えると、基板５０は、第２のミラー４０の反対の側に存在する。このとき、基板５０には第２のミラー４０の応力に起因する反りが生じ得る。第２の基板５３についても同様である。そこで、基板５０および第２の基板５３の反りを抑制する構造を以下に説明する。
【０１２８】
図１２Ａおよび１２Ｂは、本開示の実施形態における光デバイスの一例を模式的に示す図である。
【０１２９】
図１２Ａおよび１２Ｂに示す例では、反り防止膜４７が、第２のミラー４０の反射面とは反対の側に設けられている。基板５０は、第２のミラー４０と反り防止膜４７との間に存在する。反り防止膜４７が第２のミラー４０と同等の応力を有していれば、基板５０の反りを抑制することができる。図１２Ｂに示す例において、反射防止膜３５が第１のミラー３０と同等の応力を有していれば、第２の基板５３の反りを抑制することができる。
【０１３０】
図１２Ａおよび１２Ｂに示す例では、第２のミラー４０から光は出射されない。したがって、第２のミラー４０の反射面とは反対の側に、反射防止膜を設ける必要はない。しかし、図示しないが、反り防止膜４７の代わりに、反射防止膜３５とは他の反射防止膜を設けてもよい。当該他の反射防止膜が第２のミラー４０と同等の応力を有すれば、基板５０の反りを抑制することができる。
【０１３１】
図１３Ａおよび１３Ｂは、本開示の実施形態における光デバイスの一例を模式的に示す図である。図１３Ａおよび１３Ｂに示す例では、図１２Ａおよび１２Ｂに示す反り防止膜４７の代わりに第２のミラー４０が設けられている。すなわち、基板５０は、２つの同じ第２のミラー４０によって挟まれている。これら２つの第２のミラー４０は、ほとんど同じの応力を有している。したがって、基板５０の反りを抑制することができる。
【０１３２】
図１２Ｂに示す例では、第２の基板５３上に反射防止膜３５が設けられているが、この例に限られない。例えば、図１０Ｂに示すように第２の基板５３と外部の媒質との界面における光の反射が生じてもなお、外部に出射される光の強度が十分高い場合もある。その場合、基板５０および第２の基板５３の反りを抑制することが望ましいが、第１のミラー３０と外部の媒質との界面における光の反射を抑制する必要はない。
【０１３３】
図１４Ａは、本開示の実施形態における光デバイスの一例を模式的に示す図である。図１４Ａに示す例では、図１２Ｂに示す反射防止膜３５の代わりに、反り防止膜４７とは他の開口部３７ｏを備える反り防止膜３７が設けられている。図１４Ｂは、本開示の実施形態における開口部を備える反り防止膜の一例を模式的に示す図である。開口部３７ｏの形状は、長方形に限定されず、例えば正方形、平行四辺形、円、ひし形、または台形などの任意の形状であってもよい。
【０１３４】
図１４Ａおよび１４Ｂに示す例では、光導波層２０内を伝搬する光２２の一部は、第１のミラー３０から、反り防止膜３７の開口部３７ｏを介して外部に出射される。第２のミラー４０から光は出射されない。したがって、反り防止膜４７は、開口部を備える必要はない。
【０１３５】
図１１Ａから図１４Ｂに示すスローライト導波路１０をＹ方向にアレイ化してもよい。本実施形態における光デバイスは、Ｙ方向に配列された複数の導波路ユニットを備える。各導波路ユニットは、第１および第２のミラー３０、４０と、光導波層２０と、反射防止膜３５と、を備える。各導波路ユニットは、後述するグレーティングを備える導波路をさらに含んでもよい。各導波路ユニットは、基板５０をさらに備えてもよい。各導波路ユニットは、反り防止膜４７をさらに備えてもよい。各導波路ユニットは、第２の基板５３をさらに備えてもよい。本実施形態における光デバイスは、複数の導波路ユニットにそれぞれ接続された複数の位相シフタをさらに備えてもよい。
【０１３６】
各導波路ユニットが、後述するグレーティングを備える導波路を含まない場合、複数の位相シフタのそれぞれは、複数の導波路ユニットの対応する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。
【０１３７】
各導波路ユニットが、後述するグレーティングを備える導波路を含む場合、複数の位相シフタのそれぞれは、複数の導波路ユニットの対応する１つにおける前述したグレーティングを備える導波路に直接的にまたは他の導波路を介して繋がる第２の導波路を含む。
【０１３８】
後述するように、アレイ化された光デバイスは、２次元方向の光スキャンおよび／または光受信を可能にする。
【０１３９】
＜グレーティングを介した導波光結合＞
本発明者らは、図９に示す構成を改良することにより、光の結合効率をさらに向上させることができることを見出した。
【０１４０】
図１５は、本開示の例示的な実施形態における光デバイスを模式的に示す断面図である。
【０１４１】
本実施形態では、全反射導波路である第１の導波路１の先端部は、スローライト導波路である第２の導波路１０における光導波層２０の内部にある。以下、第１の導波路１を「全反射導波路１」と称し、第２の導波路１０を「スローライト導波路１０」と称することがある。Ｚ方向からみたとき、全反射導波路１およびスローライト導波路１０が重なる領域１０１において、全反射導波路１は、Ｘ方向に沿って屈折率が周期ｐで変化するグレーティング１５を備える。図１５に示すグレーティング１５は、Ｘ方向に並ぶ複数の凹部を有する。図１５には４つの凹部が例示されているが、実際にはさらに多数の凹部が設けられ得る。複数の凹部に代えて、複数の凸部が設けられていてもよい。グレーティング１５におけるＸ方向に並ぶ凹部または凸部の個数は、例えば４以上が望ましい。また、凹部または凸部の個数は、４以上６４以下であり得る。ある例では、凹部または凸部の個数は、８以上３２以下であり得る。ある例では、凹部または凸部の個数は、８以上１６以下であり得る。凹部または凸部の個数は、各凹部または凸部の回折効率に応じて調整され得る。各凹部または凸部の回折効率は、その深さまたは高さ、および幅などの寸法条件に依存する。したがって、グレーティング１５全体として良好な特性が得られるように、各凹部または凸部の寸法に応じて、それらの個数は調整される。
【０１４２】
全反射導波路１は、領域１０１において、ミラー３０の反射面に対向する第１の表面１ｓ１、およびミラー４０の反射面に対向する第２の表面１ｓ２を有する。図１５に示す例では、グレーティング１５は、全反射導波路１の第１の表面１ｓ１に設けられている。グレーティング１５は、第２の表面１ｓ２に設けられていてもよい。グレーティング１５は、全反射導波路１の第１の表面１ｓ１および第２の表面１ｓ２の少なくとも一方に設けられ得る。
【０１４３】
グレーティング１５は、全反射導波路１とスローライト導波路１０との界面に限らず、他の位置に設けられていてもよい。また、複数のグレーティングが設けられていてもよい。ミラー３０の反射面に垂直な方向から見て導波路１および１０が重なる領域１０１において、導波路１および１０の少なくとも一部は、少なくとも１つのグレーティングを含み得る。各グレーティングは、導波路１および１０が延びるＸ方向に沿って屈折率が周期的に変化する。
【０１４４】
全反射導波路１のうち、光導波層２０の外部に位置する部分は、他の誘電体層によって支持されてもよいし、２つの誘電体層によって挟まれていてもよい。
【０１４５】
領域１０１のＸ方向における寸法は、例えば、４μｍから５０μｍ程度であり得る。そのような大きさの領域１０１の内部に、８周期から３２周期程度のグレーティング１５が形成され得る。領域１０２のＸ方向における寸法は、例えば、１００μｍから５ｍｍ程度であり得る。領域１０１のＸ方向における寸法は、例えば領域１０２の寸法の数百分の１から数十分の１程度であり得る。ただし、この寸法に限定されず、必要な特性に応じて各部材の寸法は決定される。
【０１４６】
領域１０１において、第１のミラー３０は、第２のミラー４０よりも高い透過率を有していなくてもよい。スローライト導波路１０のうち、領域１０１以外の領域１０２においても、領域１０１に近い領域では、第１のミラー３０は、第２のミラー４０よりも高い透過率を有していなくてもよい。領域１０１は、光の結合効率を高めるために設けられる。このため、領域１０１の近傍では、スローライト導波路１０は、必ずしも光を出射する必要はない。
【０１４７】
全反射導波路１における導波モードの伝搬定数をβ１＝２πｎｅ１／λとし、スローライト導波路１０における導波モードの伝搬定数をβ２＝２πｎｅ２／λとする。λは、空気中における光の波長である。ｎｅ１およびｎｅ２は、それぞれ全反射導波路１およびスローライト導波路１０における実効屈折率（等価屈折率とも称する）である。全反射導波路１内を伝搬する光は、外部の空気とは結合しない。そのような導波モードの実効屈折率は、ｎｅ１＞１である。一方、スローライト導波路１０における光導波層２０を伝搬する光の一部は、外部の空気に出射される。そのような導波モードの実効屈折率は、０＜ｎｅ２＜１である。したがって、β１とβ２とは大きく異なる。そのため、一般に、全反射導波路１からスローライト導波路１０への導波光の結合効率は低い。
【０１４８】
領域１０１において、全反射導波路１がグレーティング１５を備える場合、グレーティング１５に起因する回折が生じる。その場合、全反射導波路１における導波モードの伝搬定数β１は、逆格子２π／ｐの整数倍だけシフトする。例えば−１次回折によってβ１がβ１−（２π／ｐ）にシフトする場合、ｐを適切に設定すれば、β１−（２π／ｐ）＝β２が成り立つようにすることができる。その場合、領域１０１における２つの伝搬定数が一致するため、導波光は全反射導波路１からスローライト導波路１０に高い効率で結合する。β１−（２π／ｐ）＝β２から、周期ｐは以下の式（５）によって表される。
【数５】
2019174538.tif 000007
【０１４９】
０＜ｎｅ２＜１であるため、周期ｐは、以下の式（６）を満たす。
【数６】
2019174538.tif 000008
【０１５０】
スローライト導波路１０において、領域１０１と、それ以外の領域１０２とでは、同じ導波モードであることから、導波光は高い効率で結合する。
【０１５１】
図１６は、グレーティングを介した全反射導波路からスローライト導波路に光を伝搬させたときの電場分布の計算例を示す図である。計算には、Ｓｙｎｏｐｓｙｓ社のＭｏｄｅＰＲＯＰを用いた。図１６に示すように、全反射導波路１を伝搬する光は、グレーティング１５を介してスローライト導波路１０に効率よく伝搬する。
【０１５２】
図１６に示す例における計算条件は、以下の通りである。
【０１５３】
全反射導波路１において、屈折率はｎｗ１＝１．８８であり、Ｚ方向の厚さはｄ１＝３００ｎｍである。スローライト導波路１０において、屈折率はｎｗ２＝１．６であり、Ｚ方向の厚さはｄ２＝２．１μｍである。グレーティングにおける凹部の数は１６である。グレーティングの周期はｐ＝８００ｎｍである。各凹部の深さは２００ｎｍである。全反射導波路１およびスローライト導波路１０を伝搬する光は、空気中において波長λ＝９４０ｎｍを有する。全反射導波路１における伝搬モードの光の実効屈折率ｎｅ１は１．６９であり、領域１０１におけるスローライト導波路１０における伝搬モードの光の実効屈折率ｎｅ２は０．５２８であった。
【０１５４】
この例では、全反射導波路１からスローライト導波路１０への導波光の結合効率は、６１．４％であった。グレーティング１５が存在しない構成、および全反射導波路１の端面とスローライト導波路１０の端面とが直接接続された構成と比較して、結合効率が大幅に向上することが確認された。
【０１５５】
比較のため、図１７に示すように、グレーティングが存在しない構成においても同様の計算を行った。計算条件は、グレーティングが存在しないことを除けば、上記の条件と同じである。この場合、結合効率は１．８％であった。また、全反射導波路１の端面とスローライト導波路１０の端面とが直接接続された構成においても、結合効率が例えば数％程度に留まることが確認されている。
【０１５６】
次に、全反射導波路１および導波路１０における導波モードを説明する。
【０１５７】
図１８Ａは、全反射導波路１における導波モードの電場強度分布の例を示す図である。図１８Ｂは、スローライト導波路１０における高次の導波モードの電場強度分布の例を示す図である。図１８Ａおよび１８Ｂに示す例では、ＹＺ平面における電界強度分布が示されている。図１８Ｂに示す例では、第１のミラー３０と第２のミラー４０との間において、光導波層２０は、２つの非導波領域７３の間にある。
【０１５８】
図１８Ａに示す全反射導波路１における導波モードはシングルモードである。図１８Ｂに示すスローライト導波路１０における導波モードは、式（３）におけるｍ＝７の高次モードである。全反射導波路１における実効屈折率はｎｅ１＝１．６９であり、スローライト導波路１０における実効屈折率はｎｅ２＝０．５２８である。
【０１５９】
図１８Ａおよび１８Ｂに示すように導波モードの分布が大きく異なっていても、グレーティング１５を介すことにより、導波光の結合効率は高くなる。
【０１６０】
スローライト導波路１０における高次モードには、以下の利点がある。スローライト導波路１０では、全体の電界強度分布に対する光導波層２０での電界強度分布の占める比率は、高次モードの方が、低次モードよりも高い。すなわち、高次モードでは、光導波層２０に閉じ込められる光の量がより多い。そのため、光導波層２０の屈折率の変化に対して、スローライト導波路１０から出射される光の出射角度は大きく変化する。
【０１６１】
当然、スローライト導波路１０における導波モードは、式（３）におけるｍ＝７の高次モードに限定されない。式（５）におけるｐを調整することにより、スローライト導波路１０において他の導波モードを励起させることも可能である。
【０１６２】
図１５および図１６に示す例において、領域１０１における全反射導波路１と各ミラーとの距離が近ければ、以下の現象が生じ得る。第１のミラー３０および／または第２のミラー４０が全反射導波路１よりも高い屈折率を有する場合、全反射導波路１におけるエバネッセント光は、第１のミラー３０および／または第２のミラー４０に移る傾向にある。その結果、全反射導波路１を伝搬する光は、第１のミラー３０および／または第２のミラー４０を介して外部に漏れ得る。そのため、領域１０１における全反射導波路１と各ミラーとの距離は、λ／４以上離れている。これにより、全反射導波路１からスローライト導波路１０への導波光の結合効率の低下を抑制できる。
【０１６３】
図１９は、グレーティング１５における各凹部の深さと、導波光の結合効率との関係の例を示す図である。この例では、光の波長は９４０ｎｍである。全反射導波路１の屈折率ｎｗ１は１．８８である。全反射導波路１の厚さｄ１は３００ｎｍである。スローライト導波路１０の屈折率ｎｗ２は１．６８である。スローライト導波路の厚さｄ２は２．１μｍである。グレーティング１５の周期ｐは８００ｎｍである。グレーティング１５における凹部の数は３２である。
【０１６４】
図１９に示す例では、結合効率は、凹部の深さが０から０．１３μｍの範囲では、当該深さの増加とともに単調に増加する。凹部の深さが０．１３μｍよりも大きい範囲では、凹部の深さを増加させると、結合効率が低下し、その後振動する。
【０１６５】
図１９に示す例では、凹部の深さが０．１３μｍのとき、結合効率は約５０％になり、最大になる。この例では、グレーティング１５における各凹部の深さが、全反射導波路１の厚さｄ１の３分の１以上１５分の８以下の場合に、特に高い結合効率が実現される。
【０１６６】
図１９に示す結果は、以下のように説明できる。全反射導波路１のモードとスローライト導波路１０のモードとの結合効率は、グレーティング１５の構造に依存する。結合効率は、グレーティング１５が存在する領域における全反射導波路１の規格化電界分布と、スローライト導波路１０の規格化電界分布との重なり積分に比例する。このため、グレーティング１５における凹部の深さが増加すると、一般に光結合効率は高くなる。しかし、結合効率が高くなりすぎると、一度スローライトモードに変換された導波光が再度、全反射導波路のモードに変換される。このため、光結合効率は低下する。さらに凹部が深くなると、再び結合効率が増加し、以後、振動する。
【０１６７】
図２０は、図１９に示す例における凹部の深さが０．２μｍである場合の電界強度分布を示す図である。図示されるように、この条件では、スローライトモードに変換される導波光の割合は高くない。
【０１６８】
図２１は、グレーティング１５における凹部の個数に対する結合効率の依存性の例を示す図である。たとえ凹部の深さを膜厚ｄ１と同程度にしても、グレーティング構造の個数が少なすぎると導波光の変換効率は低くなる。結合効率をある程度高くするため、凹部または凸部の個数は、例えば４個以上に設定され得る。
【０１６９】
上記の例では、グレーティングにおける、１周期当たりの凹部のＸ方向の長さ、すなわちデューティ比を５０％として計算したが、５０％に限定されない。グレーティングのデューティ比は、グレーティングの凹部の深さおよび数によって適宜変更してもよい。導波光の結合効率の最大値は、グレーティングの凹部の深さ、数、およびデューティ比によって決定され得る。
【０１７０】
次に、グレーティング１５を介した全反射導波路およびスローライト導波路の接続の変形例を説明する。
【０１７１】
図２２Ａから２２Ｃは、図１５に示す例の変形例を模式的に示す断面図である。図２２Ａから２２Ｃに示す例では、全反射導波路１は、誘電体層５１によって支持されており、誘電体層５１は、第２のミラー４０によって支持されている。全反射導波路１およびスローライト導波路１０では、第２のミラー４０が共通に用いられている。誘電体層５１は、例えばＳｉＯ２から形成される。誘電体層５１の屈折率ｎｓｕｂは、全反射導波路１の屈折率ｎｗ１よりも小さい。したがって、全反射導波路１を伝搬する光は、誘電体層５１には漏れない。誘電体層５１は、第２のミラー４０によって支持されていなくてもよい。領域１０１および領域１０２以外の領域では、第２のミラー４０を、誘電体層５１と同じ材料の構造に置き換えてもよい。
【０１７２】
図２２Ａに示す例では、全反射導波路１は、第１の表面１ｓ１において、グレーティング１５を備える。図２２Ｂに示す例では、全反射導波路１は、第２の表面１ｓ２において、グレーティング１５を備える。図２２Ｃに示す例では、全反射導波路１は、第１の表面１ｓ１および第２の表面１ｓ２の両方において、グレーティング１５を備える。
【０１７３】
このように、全反射導波路１は、第１および第２の表面１ｓ１、１ｓ２の少なくとも一方において、グレーティング１５を備えてもよい。
【０１７４】
図２３Ａおよび２３Ｂは、図１５に示す例の他の変形例を模式的に示す断面図である。図２３Ａおよび２３Ｂに示す例では、図２２Ａから２２Ｃに示す例と同様に、全反射導波路１は、誘電体層５１によって支持されており、誘電体層５１は、第２のミラー４０によって支持されている。
【０１７５】
図２３Ａおよび２３Ｂの例では、全反射導波路１ではなく、第１のミラー３０および／または第２のミラー４０の反射面にグレーティング１５が設けられている。図２３Ａに示す例では、スローライト導波路１０は、第１のミラー３０における反射面において、グレーティング１５を備える。図２３Ｂに示す例では、スローライト導波路１０は、第２のミラー４０における反射面において、グレーティング１５を備える。
【０１７６】
図２３Ａおよび２３Ｂに示す例では、全反射導波路１と、第１および／または第２のミラー３０、４０とのＺ方向の距離は比較的近い。これにより、全反射導波路１におけるエバネッセント光は、グレーティング１５によって回折される。その結果、前述の例と同様、全反射導波路１からスローライト導波路１０に導波光の結合効率を高めることができる。
【０１７７】
このように、スローライト導波路１０は、第１のミラー３０における反射面および第２のミラー４０における反射面の少なくとも一方において、グレーティング１５を備えてもよい。
【０１７８】
次に、スローライト導波路１０の内部における、全反射導波路１のＹ方向の幅と、光導波層２０のＹ方向の幅との関係を説明する。
【０１７９】
図２４Ａから２４Ｄは、ＹＺ平面における全反射導波路１およびスローライト導波路１０の配置関係の例を模式的に示す断面図である。図２４Ａから２４Ｄは、全反射導波路１およびスローライト導波路１０を全反射導波路１側からＸ方向にみたときの構造を示している。図２４Ａから２４Ｄに示す例では、２つの非導波領域７３は、第１のミラー３０と、第２のミラー４０とに挟まれており、光導波層２０は、２つの非導波領域７３の間にある。光導波層２０の平均屈折率は、各非導波領域７３の平均屈折率よりも高い。これにより、光は非導波領域７３に漏れることなく、光導波層２０内を伝搬することができる。
【０１８０】
図２４Ａに示す例では、全反射導波路１は、誘電体層５１によって支持されていない。全反射導波路１のＹ方向の幅は、光導波層２０のＹ方向の幅よりも狭い。
【０１８１】
図２４Ｂに示す例では、全反射導波路１は、誘電体層５１によって支持されている。全反射導波路１のＹ方向の幅は、光導波層２０のＹ方向の幅よりも狭い。誘電体層５１のＹ方向の幅は、全反射導波路１のＹ方向の幅と同じである。
【０１８２】
図２４Ｃに示す例では、全反射導波路１は、誘電体層５１によって支持されている。全反射導波路１のＹ方向の幅は、光導波層２０のＹ方向の幅よりも狭い。誘電体層５１のＹ方向の幅は、光導波層２０のＹ方向の幅と同じである。
【０１８３】
図２４Ｄに示す例では、全反射導波路１は、誘電体層５１によって支持されている。全反射導波路１のＹ方向の幅は、光導波層２０のＹ方向の幅と同じである。誘電体層５１のＹ方向の幅は、全反射導波路１のＹ方向の幅と同じである。
【０１８４】
全反射導波路１からスローライト導波路１０に導波光が結合するときの光散乱ロスは、図２４Ａおよび２４Ｂに示す例よりも、図２４Ｃおよび２４Ｄに示す例の方が小さい。図２４Ａに示す例において、光散乱ロスは最も大きく、図２４Ｄに示す例において、光散乱ロスは最も小さい。図２４Ｄに示す例では、全反射導波路１のＹ方向の幅は、光導波層２０のＹ方向の幅と同じである。これにより、スローライト導波路１０の導波モードにおいて、領域１０１内のＹＺ平面における電界強度分布は、領域１０２内のＹＺ平面における電界強度分布と広範囲に重なる。そのため、光散乱ロスは最も小さい。
【０１８５】
図２４Ｃおよび図２４Ｄに示すように、誘電体層５１のＹ方向の幅が光導波層２０のＹ方向の幅と同じであれば、光散乱ロスを有効に低減させることができる。
【０１８６】
図２５は、スローライト導波路１０の他の変形例を模式的に示す断面図である。図２５に示す例では、領域１０２における断面図が示されている。図２５に示すように、各非導波領域７３は、２つ以上の屈折率が異なる部材を含んでもよい。図２５に示す例では、光導波層２０および２つの非導波領域７３は、共通の材料４５によって構成される領域を含む。各非導波領域７３は、部材４６と、共通の材料４５とを含む。光導波層２０の平均屈折率が、各非導波領域７３の平均屈折率よりも高ければ、光は各非導波領域７３に漏れることなく、光導波層２０内を伝搬することができる。
【０１８７】
次に、全反射導波路１のうち、光導波層２０の外側に位置する部分の構造の例を説明する。
【０１８８】
図２６は、全反射導波路およびスローライト導波路の接続の例を模式的に示す図である。
【０１８９】
図２６に示す例では、全反射導波路１のうち、光導波層２０の外側において、全反射導波路１は、スローライト導波路１０に近づくにつれて、幅すなわちＹ方向の寸法が単調に増加する部分を含む。すなわち、全反射導波路１の一部は、テーパー構造１ｔを有する。光導波層２０から遠い部分における全反射導波路１の幅ｗｗは、結合部である領域１０１における全反射導波路１の幅ｗｃよりも狭い。ｗｗはｗｃの、例えば１００分の１から２分の１程度であり得る。全反射導波路１のうち、幅の狭い導波路部分１ｗと、幅の広い導波路部分１ｃとの間にテーパー構造１ｔが存在する。このような構造を採用すれば、幅の狭い導波路部分１ｗを伝搬する光が、幅の広い導波路部分１ｃに入射するときの反射を抑制することができる。
【０１９０】
光導波層２０の少なくとも一部は、屈折率および／または厚さを調整することが可能な構造を有していてもよい。屈折率および／または厚さを調整することにより、第１のミラー３０から出射される光の方向のうち、Ｘ方向の成分が変化する。
【０１９１】
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。
【０１９２】
光導波層２０のうち、領域１０１における屈折率と、領域１０２における屈折率とを同時に調整してもよい。しかし、領域１０１における屈折率を調整すると、式（５）の条件が変化し得る。その結果、全反射導波路１からスローライト導波路１０への導波光の結合効率が低下し得る。そこで、領域１０１における屈折率を一定に維持し、領域１０２における屈折率のみを調整できるようにしてもよい。領域１０１および領域１０２における屈折率が異なっても、領域１０１と領域１０２との界面において生じる導波光の反射の影響は小さい。
【０１９３】
その場合、上記の一対の電極（「第１の一対の電極」と称する）は、光導波層２０のうち、第１のミラーにおける反射面に垂直な方向から見て第１の導波路に重なる部分とは異なる部分を間に挟む。不図示の制御回路が一対の電極に電圧を印加することにより、領域１０２における上記少なくとも一部の屈折率を調整することができる。
【０１９４】
設計通りに式（５）の条件が満たされていればよいが、実際には、製造誤差に起因して、式（５）の条件が完全に満たされない場合がある。そのような場合の補償のために、領域１０２における屈折率の調整とは別に、領域１０１に屈折率を調整する機能を光デバイスに付与してもよい。
【０１９５】
その場合、上記第１の一対の電極に加えて、第２の一対の電極が設けられ得る。第２の一対の電極は、光導波層２０のうち、第１のミラーの反射面に垂直な方向から見て第１の導波路に重なる部分の少なくとも一部を間に挟む。制御回路は、第１および第２の一対の電極に独立して電圧を印加することにより、第１の一対の電極の間に位置する光導波層の部分の屈折率と、第２の一対の電極の間に位置する光導波層の部分の屈折率とを独立して調整することができる。
【０１９６】
光導波層２０の厚さを調整するために、例えば、第１および第２のミラー３０、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。制御回路は、少なくとも１つのアクチュエータを制御して第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。
【０１９７】
上記少なくとも１つのアクチュエータは、領域１０２における第１および第２のミラー３０、４０の少なくとも一方に接続され得る。アクチュエータによって、領域１０２における光導波層１０２の厚さを変化させることができる。このとき、式（５）の条件は変化しない。
【０１９８】
上記少なくとも１つのアクチュエータは、２つのアクチュエ―タであってもよい。一方のアクチュエータは、領域１０１における第１および第２のミラー３０、４０の少なくとも一方に接続され得る。他方のアクチュエータは、領域１０２における第１および第２のミラー３０、４０の少なくとも一方に接続され得る。２つのアクチュエータによって、領域１０１における光導波層２０の厚さと、領域１０２における光導波層２０の厚さとを別々に変化させることができる。これにより、設計通りに式（５）の条件が満たされていない場合の補償が可能である。
【０１９９】
光導波層２０の屈折率および／または厚さを調整する具体的な構成の例については、後述する。
【０２００】
製造誤差に起因して、光導波層２０の厚さなどの寸法が設計値からずれることがある。光導波層２０の寸法が設計値からずれると、式（５）における実効屈折率ｎｅ２にも誤差が生じる。その場合、導波光の結合効率が低下するという課題がある。以下、導波光の結合効率が光導波層２０の厚さにどのように依存するかを説明する。
【０２０１】
図２７は、図２２Ａに示す例における、光導波層の厚さと、導波光の結合効率との関係を示す図である。横軸は光導波層２０の厚さｄ２を表し、縦軸は、導波光の結合効率を最大値によって規格化した値を表している。図２７に示す例における計算条件は、以下の通りである。
【０２０２】
全反射導波路１において、屈折率はｎｗ１＝２．０であり、Ｚ方向の厚さはｄ１＝３００ｎｍである。誘電体層５１において、屈折率はｎｓｕｂ＝１．４４である。スローライト導波路１０において、屈折率はｎｗ２＝１．６１である。グレーティングにおける凹部の数は１６である。グレーティングの周期はｐ＝７９５ｎｍである。各凹部の深さは８５ｎｍである。全反射導波路１およびスローライト導波路１０を伝搬する光は、空気中において波長λ＝９４０ｎｍを有する。
【０２０３】
図２７に示すように、結合効率は１つのピークを有する。上記の条件では、結合効率はｄ２＝２．１５μｍのとき最大になる。光導波層２０の厚さがｄ２＝２．１５μｍからずれると、結合効率が低下する。
【０２０４】
本発明者らは、製造誤差に起因する結合効率の低下を抑制するために、領域１０１において、周期の異なる複数のグレーティングを設ける構成に想到した。そのような複数のグレーティングを設けることにより、光導波層２０の厚さｄ２の製造誤差を補償することができる。
【０２０５】
以下の実施形態において、複数のグレーティングの屈折率は、Ｘ方向に沿って周期的に変化する。複数のグレーティングのうちの少なくとも２つのグレーティングの周期は互いに異なる。複数のグレーティングの各々の周期は、式（６）の範囲内にある。複数のグレーティングの各々は、上記のいずれかの例におけるグレーティングと同じ構造を備え得る。
【０２０６】
図２８Ａは、図２２Ａに示す例において、２つのグレーティングを有する光デバイスを模式的に示す図である。図２８Ｂは、図２８Ａに示す例における、光導波層の厚さと、導波光の結合効率との関係を示す図である。
【０２０７】
図２８Ａに示す例において、２つのグレーティング１５ａ、１５ｂは、Ｘ軸方向に沿って並んでいる。図２８Ｂに示す例における計算条件は、以下の通りである。
【０２０８】
グレーティング１５ａ、１５ｂにおける凹部の数は、共に１６である。グレーティング１５ａの周期はｐ１＝７９５ｎｍであり、グレーティング１５ｂの周期はｐ２＝６１０ｎｍである。各凹部の深さは８５ｎｍである。その他の計算条件は、図２７に示す例における計算条件と同じである。
【０２０９】
図２８Ｂに示すように、結合効率は、１．９５μｍ＜ｄ２＜２．０μｍにおいて幅の狭い第１のピークを有し、２．１μｍ＜ｄ２＜２．２μｍにおいて平均して幅の広い第２のピークを有する。第１のピークの幅が狭いのは、ｄ２の変化によってｎｅ２が大きく変化するからである。第１および第２のピークは、それぞれ周期ｐ２＝６１０ｎｍのグレーティング１５ｂおよび周期ｐ１＝７９５ｎｍのグレーティング１５ａに起因する。
【０２１０】
図２８Ｃは、図２８Ａに示す例における、光導波層の厚さおよび領域１０１の屈折率と、導波光の結合効率との関係を示す他の図である。複数の周期と、前述の領域１０１において屈折率を調整する機能とを適切に組み合わせることができる。これにより、図２８Ｃに示すように、導波光が結合可能なｄ２の範囲を、途切れることなく広くすることができる。
【０２１１】
図２８Ｃに示す例では、周期ｐ２＝６１０ｎｍおよび周期ｐ１＝７１０ｎｍである。図２８Ｃに示すように、周期ｐ２＝６１０ｎｍに対応する導波光が結合可能なｄ２の範囲は１．９２μｍ＜ｄ２＜２．０３μｍであり、周期ｐ１＝７１０ｎｍに対応する導波光が結合可能なｄ２の範囲は２．０１μｍ＜ｄ２＜２．１２μｍである。すなわち、２つの導波光が結合可能なｄ２の範囲は、１．９２μｍ＜ｄ２＜２．１２μｍであり、各導波光が結合可能なｄ２の範囲よりも広くなる。図２８Ｃに示す計算条件において、領域１０１の屈折率を１．５２から１．６８まで変化させた。その他の計算条件は、図２８Ｂに示す例における計算条件と同じである。
【０２１２】
図２８Ｄは、図２８Ａに示す例における、光導波層の厚さと、導波光の結合効率との関係を示す他の図である。図２８Ｄに示す例における計算条件は、以下の通りである。
【０２１３】
黒丸は、周期が６１０ｎｍの一種類のみの場合である。その他の計算条件は、図２７に示す例における計算条件と同じである。白い三角印は、グレーティング１５ａの周期ｐ１＝６３０ｎｍであり、グレーティング１５ｂの周期ｐ２＝６１０ｎｍの場合である。その他の計算条件は、図２８Ｂに示す例における計算条件と同じである。
【０２１４】
図２８Ｂに示す例において、ｐ１を徐々にｐ２に近づけると、第２のピークは、第１のピークに近づく。これにより、領域１０１における屈折率を一定に維持した場合においても、図２８Ｄに示す白い三角印のように、２つのピークが混在し、広いピークが得られる。その結果、導波光が結合可能なｄ２の範囲は広くなる。
【０２１５】
以上のように、領域１０１において複数のグレーティングがあれば、光導波層２０の厚さｄ２に製造誤差があっても、導波光の結合効率の低下を抑制することができる。
【０２１６】
図２８Ａでは、２つの互いに周期が異なるグレーティング１５ａ、１５ｂが示されているが、３つ以上の互いに周期が異なるグレーティングであってもよい。
【０２１７】
次に、周期の異なる複数のグレーティングを有する光デバイスの変形例を説明する。
【０２１８】
図２９Ａから２９Ｄは、図２８Ａに示す例の変形例を模式的に示す断面図である。
【０２１９】
図２９Ａに示す例では、全反射導波路１は、第２の表面１ｓ２において、グレーティング１５ａ、１５ｂを備える。図２９Ｂに示す例では、全反射導波路１は、第１の表面１ｓ１および第２の表面１ｓ２の両方において、グレーティング１５ａ、１５ｂを備える。図２９Ｃに示す例では、スローライト導波路１０は、第１のミラー３０における反射面において、グレーティング１５ａ、１５ｂを備える。図２９Ｄに示す例では、スローライト導波路１０は、第２のミラー４０における反射面において、グレーティング１５ａ、１５ｂを備える。
【０２２０】
本開示の実施形態では、全反射導波路の第１および第２の表面１ｓ１、１ｓ２、ならびに、第１および第２のミラー３０、４０の反射面の少なくとも一方が、複数のグレーティングを含み得る。
【０２２１】
上記の各例では、複数のグレーティングが、Ｘ方向に並ぶ２つ以上のグレーティングを含む。そのような形態に限らず、複数のグレーティングは、Ｙ方向において隣接する２つ以上のグレーティングを含んでもよい。ここで、「隣接する２つ以上のグレーティング」は、Ｙ方向において接していてもよいし、間隔を空けて隣り合っていてもよい。
【０２２２】
図３０Ａは、２つのグレーティングがＹ方向に並んでいる例を模式的に示す図である。
【０２２３】
図３０Ａに示す例では、グレーティング１５ａ、１５ｂの各々のＹ方向の幅はｗｃ／２である。Ｙ方向の幅が短い代わりに、Ｘ方向において、グレーティング１５ａ、１５ｂの各々の凹部の数を増やしてもよい。これにより、図２８Ａに示す例と同様の効果を期待することができる。図２８Ａに示す例では、各々のＹ方向の幅がｗｃである２つのグレーティング１５ａ、１５ｂがＸ方向に沿って並んでいる。
【０２２４】
「複数のグレーティングがＹ方向において隣接する」場合には、Ｘ方向に沿ったグレーティングの周期が、Ｙ方向における位置の変化に伴って連続的に変化する場合も含まれる。
【０２２５】
図３０Ｂは、グレーティングの周期が、Ｙ方向における位置の変化に伴ってｐ２からｐ１に連続的に変化する例を模式的に示す図である。ここで、ｐ１はｐ２よりも大きい。
【０２２６】
図３０Ｂに示す例では、全反射導波路１における導波モードの伝搬定数β１は、グレーティング１５ｃによる−１次回折により、β１−（２π／ｐ２）からβ１−（２π／ｐ１）まで連続的にシフトする。したがって、光導波層２０の厚さｄ２に製造誤差があっても、β１−（２π／ｐ２）≦β２≦β１−（２π／ｐ１）であれば、導波光は、全反射導波路１からスローライト導波路１０に高い効率で結合する。
【０２２７】
複数のグレーティングは、空間的に分離している必要はない。グレーティングは、複数の周期成分を含んでいてもよい。本明細書では、そのような場合でも、「周期の異なる複数のグレーティング」が設けられているものと解釈する。当該グレーティングの屈折率は、Ｘ方向に沿って変化する。複数の周期成分の各周期は、式（６）を満たす。
【０２２８】
図３１は、２つの周期成分を含むグレーティングが混在している例を模式的に示す図である。図３１に示す例では、グレーティング１５ｍにおいて２つの異なる周期がランダムに混在している。
【０２２９】
グレーティング１５ｍが複数の周期成分を含むことは、グレーティング１５ｍの屈折率の空間変化をフーリエ変換することによって知ることができる。屈折率の空間変化ｎ（ｘ）をフーリエ変換すると、Ｎ（ｋ）＝∫ｎ（ｘ）ｅｘｐ（‐ｉｋｘ）ｄｘのフーリエ成分が得られる。例えば、周期ｐ１および周期ｐ２の２つの周期成分が混在している場合、フーリエ成分Ｎ（ｋ）は、ｋ＝（２π／ｐ１）ｍ１およびｋ＝（２π／ｐ２）ｍ２においてピークを有する。ｍ１、ｍ２は整数である。
【０２３０】
領域１０１において複数のグレーティングがある場合でも、前述したように、光導波層２０の少なくとも一部は、屈折率および／または厚さを調整することが可能な構造を有していてもよい。また、複数のグレーティングを有する光デバイスは、図２４Ａから図２６に示す各構造を備えていてもよい。
【０２３１】
全反射導波路１およびスローライト導波路１０の組を複数組備える光デバイスを構成することにより、２次元の光スキャンも可能である。そのような光スキャンデバイスは、Ｙ方向に配列された複数の導波路ユニットを備える。各導波路ユニットは、上記の全反射導波路１およびスローライト導波路１０を備える。当該光スキャンデバイスでは、複数の位相シフタが、複数の導波路ユニットにそれぞれ接続される。複数の位相シフタは、それぞれ、複数の導波路ユニットの対応する１つにおける全反射導波路１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。複数の位相シフタを通過する光の位相の差をそれぞれ変化させることにより、光スキャンデバイスから出射される光の方向のうち、Ｙ方向の成分を変化させることができる。同様の構造によって光受信デバイスを構成することもできる。
【０２３２】
図３２Ａは、第１のミラー３０と第２のミラー４０の間に位置する光導波層２０の両隣に、非導波領域７３（以下、「スペーサ７３」とも称する）が配置されている構成例を模式的に示す、ＹＺ平面における導波路素子１０の断面図である。スペーサ７３の屈折率ｎｌｏｗは、光導波層の屈折率ｎｗよりも低い（ｎｌｏｗ＜ｎｗ）。スペーサ７３は、例えば、空気でもよい。スペーサ７３は、光導波層よりも低い屈折率を有する限り、例えば、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＮ、ＡｌＮ、ＳｉＯ２などであってもよい。
【０２３３】
図３２Ｂは、図３２Ａにおける導波路素子１０をＹ方向に配列した導波路アレイ１０Ａの構成例を模式的に示す、ＹＺ平面における光スキャンデバイスの断面図である。図３２Ｂの構成例では、Ｙ方向において、第１のミラー３０の幅は、光導波層２０の幅と同じである。そのため、第１のミラー３０が存在しない領域から導波光が漏れるという課題がある。従来では、複数の反射型導波路も含め、複数の導波路素子１０をアレイ化する際に、第１および第２のミラー３０および４０の少なくとも一方の幅を光導波層２０の幅よりも長くすることにより、導波光の漏れを防ぐという発想はなかった。
【０２３４】
光スキャンの性能を向上させるためには、導波路アレイ１０Ａにおける各導波路素子１０を、細線化することが望ましい。この場合、導波光が漏れるという課題はより顕著になる。
【０２３５】
図３３は、光導波層２０内において、導波光がＸ方向に伝搬することを模式的に示す図である。ｎｗ＞ｎｌｏｗであることから、導波光は、±Ｙ方向において全反射により閉じ込められながら、Ｘ方向に伝搬する。しかし、実際には、光導波層２０のＹ方向における端面から外側へ染み出すエバネッセント光が存在する。また、図２に示すように、導波光は、±Ｚ方向において第１のミラー３０および第２のミラー４０によって反射されながら、全反射角θｉｎよりも小さい角度で、Ｘ方向に伝搬する。このとき、図３２Ｂに示す第１のミラー３０が存在しない領域では、エバネッセント光は、反射されず、外に漏れ出る。この意図しない光ロスにより、光スキャンに用いられる光量は低下し得る。
【０２３６】
複数の導波路素子１０の配列方向において、第１のミラー３０および第２のミラー４０の少なくとも一方の幅を、光導波層２０の幅よりも長くすることにより、上記の課題を解決できる。これにより、上記の意図しない光ロスを低減することができる。その結果、光スキャンに用いられる光量の低下は抑制される。
【０２３７】
図３４Ａから図３４Ｃは、第１の導波路１に光が入力される構成において、第１の導波路１への光の入力方法の例を示す図である。図３４Ａは、第１の導波路１の表面に設けられたグレーティング５を介して第１の導波路１に光が導入される例を示している。図３４Ｂは、第１の導波路１の端面から光が入力される例を示している。図３４Ｃは、第１の導波路１の表面に設けられたレーザー光源６から、当該表面を介して光が入力される例を示している。図３４Ｃのような構成は、例えば、Ｍ．  Ｌａｍｐｏｎｉ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｌｏｗ−Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ  Ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓｌｙ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ＩｎＰ／ＳＯＩ  Ｌａｓｅｒｓ  Ｗｉｔｈ  ａ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ａｄｉａｂａｔｉｃ  Ｔａｐｅｒ  Ｃｏｕｐｌｅｒ”，  ＩＥＥＥ  ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ  ＬＥＴＴＥＲＳ，  ＶＯＬ．  ２４，  ＮＯ．  １，  ＪＡＮＵＡＲＹ  １，  ２０１２，  ｐｐ  ７６−７８．  に開示されている。この文献の開示内容全体を本願明細書に援用する。以上の構成によれば、効率よく光を導波路１に入射させることができる。
【０２３８】
次に、本実施形態における第１の導波路１および第２の導波路１０の組み合わせ（本明細書において、「導波路ユニット」と称する。）を複数組用いて、２次元的な光のスキャンを実現する構成を説明する。２次元スキャンを実行可能な光スキャンデバイスは、第１の方向に配列された複数の導波路ユニットと、各導波路ユニットを制御する調整素子（例えばアクチュエータおよび制御回路の組み合わせ）を備える。調整素子は、各導波路ユニットにおける第２の導波路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。これにより、各第２の導波路１０から出射される光の方向を変化させることができる。また、複数の導波路ユニットにおける第２の導波路１０に、適切に位相差が調整された光が入力されることにより、図１を参照して説明したように、光の２次元スキャンが可能となる。以下、２次元スキャンを実現するための実施形態をより詳細に説明する。
【０２３９】
＜２次元スキャンの動作原理＞
複数の導波路素子（すなわち、第２の導波路）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。
【０２４０】
図３５Ａ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３５Ａ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。本実施形態における導波路アレイは、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３５Ａ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３５Ａの例では、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。
【０２４１】
図３５Ｂ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３５Ｂの例では、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。
【０２４２】
導波路アレイから外部（ここでは空気とする。）へ出射される光の方向は、以下のように定量的に議論できる。
【０２４３】
図３６は、３次元空間における導波路アレイを模式的に示す斜視図である。互いに直交するＸ、ＹおよびＺ方向で定義される３次元空間において、光が空気に出射される領域と、導波路アレイとの境界面をＺ＝ｚ０とする。この境界面は、複数の導波路素子１０のそれぞれの出射面を含む。Ｚ＜ｚ０では、Ｙ方向に複数の導波路素子１０が等間隔に配列され、複数の導波路素子１０のそれぞれはＸ方向に延びている。Ｚ＞ｚ０において、空気へ出射される光の電場ベクトルＥ（ｘ、ｙ、ｚ）は、以下の式（７）で表される。
【数７】
2019174538.tif 000009
【０２４４】
ただしＥ０は電場の振幅ベクトルであり、ｋｘ、ｋｙおよびｋｚはそれぞれＸ、ＹおよびＺ方向における波数（ｗａｖｅ  ｎｕｍｂｅｒ）であり、ｊは虚数単位である。この場合、空気へ出射される光の方向は、図３６において太い矢印で表される波数ベクトル（ｋｘ、ｋｙ、ｋｚ）に平行となる。波数ベクトルの大きさは、以下の式（８）で表される。
【数８】
2019174538.tif 000010
から、境界面に平行な波数ベクトル成分ｋｘおよびｋｙは、それぞれ導波路アレイにおける光のＸ方向およびＹ方向における波数に一致する。これは、式（２）のスネルの法則と同様に、境界面において、空気側の光が有する面方向の波長と、導波路アレイ側の光が有する面方向の波長とが一致する条件に相当する。
【０２４５】
ｋｘは、Ｘ方向に延びた導波路素子１０の光導波層２０を伝搬する光の波数に等しい。上述した図２に示される導波路素子１０では、ｋｘは、式（２）および式（３）を用いて、以下の式（９）で表される。
【数９】
2019174538.tif 000011
【０２４６】
ｋｙは、隣接する２つの導波路素子１０の間の光の位相差から導出される。Ｙ方向に等間隔に配列されたＮ本の導波路素子１０のそれぞれのＹ方向の中心をｙｑ（ｑ＝０、１、２、・・・、Ｎ−１）とし、隣接する２つの導波路素子１０の間の距離（中心間距離）をｐとする。そのとき、空気へ出射される光の電場ベクトル（式（７））は、境界面内（Ｚ＝ｚ０）のｙｑおよびｙｑ＋１において、式（１０）の関係を満たす。
【数１０】
2019174538.tif 000012
【０２４７】
任意の隣接する２つの導波路素子１０の位相差がΔφ＝ｋｙｐ（一定）となるように設定した場合、ｋｙは、以下の式（１１）の関係を満たす。
【数１１】
2019174538.tif 000013
【０２４８】
この場合、ｙｑにおける光の位相はφｑ＝φ０＋ｑΔφとなる（φｑ＋１−φｑ＝Δφ）。つまり、位相φｑは、Ｙ方向に沿って、一定（Δφ＝０）か、比例して増加（Δφ＞０）または減少（Δφ＜０）する。Ｙ方向に配列された導波路素子１０が等間隔でない場合は、例えば、所望のｋｙに対して、ｙｑおよびｙｑ＋１での位相差がΔφｑ＝φｑ＋１−φｑ＝ｋｙ（ｙｑ＋１−ｙｑ）となるように設定する。この場合、ｙｑにおける光の位相はφｑ＝φ０＋ｋｙ（ｙｑ−ｙ０）となる。式（１０）および式（１１）からそれぞれ得られるｋｘおよびｋｙを用いれば、式（８）からｋｚが導出される。これにより、光の出射方向（すなわち、波数ベクトルの方向）が得られる。
【０２４９】
例えば、図３６に示すように、出射光の波数ベクトル（ｋｘ、ｋｙ、ｋｚ）と、その波数ベクトルをＹＺ平面に射影したベクトル（０、ｋｙ、ｋｚ）とがなす角度をθとする。θは、波数ベクトルとＹＺ平面とがなす角度である。θは、式（８）および式（９）を用いて、以下の式（１２）で表される。
【数１２】
2019174538.tif 000014
【０２５０】
式（１２）は、出射光がＸＺ平面に平行な場合に限定したときの式（３）と全く同じである。式（１２）からわかるように、波数ベクトルのＸ成分は、光の波長、光導波層２０の屈折率、および光導波層２０の厚さに依存して変化する。
【０２５１】
同様に、図３６に示すように、出射光（０次光）の波数ベクトル（ｋｘ、ｋｙ、ｋｚ）と、その波数ベクトルをＸＺ平面に射影したベクトル（ｋｘ、０、ｋｚ）とがなす角度をα０とする。α０は、波数ベクトルとＸＺ平面とがなす角度である。α０は、式（８）および式（９）を用いて、以下の式（１３）で表される。
【数１３】
2019174538.tif 000015
【０２５２】
式（１３）からわかるように、光の波数ベクトルのＹ成分は、光の位相差Δφによって変化する。
【０２５３】
このように、波数ベクトル（ｋｘ、ｋｙ、ｋｚ）の代わりに、式（１２）および式（１３）からそれぞれ得られるθおよびα０を用いて光の出射方向を特定することもできる。その場合、光の出射方向を表す単位ベクトルは、（ｓｉｎθ、ｓｉｎα０、（１−ｓｉｎ２α０−ｓｉｎ２θ）１／２）と表すことができる。光出射においてこれらのベクトル成分はすべて実数でなければならないので、ｓｉｎ２α０＋ｓｉｎ２θ≦１が満たされる。ｓｉｎ２α０≦１−ｓｉｎ２θ＝ｃｏｓ２θから、出射光は−ｃｏｓθ≦ｓｉｎα０≦ｃｏｓθを満たす角度範囲で変化することがわかる。−１≦ｓｉｎα０≦１から、θ＝０ｏでは、出射光は−９０ｏ≦α０≦９０ｏの角度範囲で変化する。しかし、θが増加するとｃｏｓθは小さくなるので、α０の角度範囲は狭くなる。θ＝９０ｏ（ｃｏｓθ＝０）では、α０＝０ｏのときのみしか光は出射されない。
【０２５４】
本実施形態における光による２次元スキャンは、導波路素子１０が少なくとも２本あれば実現できる。しかし、導波路素子１０の本数が少ない場合、上記のα０の広がり角度Δαが大きくなる。導波路素子１０の本数が増加するとΔαは小さくなる。このことは、以下のようにして説明できる。簡単のために、図３６においてθ＝０ｏの場合を考える。つまり、光の出射方向がＹＺ平面に平行な場合を考える。
【０２５５】
Ｎ本（Ｎは２以上の整数）の導波路素子１０のそれぞれから、同じ出射強度および上述した位相φｑを有する光が出射されるとする。そのとき、Ｎ本の導波路素子１０から出射される合計の光（電場）の振幅分布の絶対値は、遠視野において、以下の式（１４）で表されるＦ（ｕ）に比例する。
【数１４】
2019174538.tif 000016
【０２５６】
ただし、ｕは以下の式（１５）で表される。
【数１５】
2019174538.tif 000017
【０２５７】
αは、ＹＺ平面において、観測点および原点を結ぶ直線と、Ｚ軸とがなす角度である。α０は、式（１３）を満たす。式（１４）のＦ（ｕ）は、ｕ＝０（α＝α０）でＮ（最大）となり、ｕ＝±２π／Ｎで０となる。ｕ＝−２π／Ｎおよび２π／Ｎを満たす角度をそれぞれα１およびα２とすると（α１＜α０＜α２）、α０の広がり角度はΔα＝α２−α１となる。−２π／Ｎ＜ｕ＜２π／Ｎ（α１＜α＜α２）の範囲のピークは、一般にメインローブと呼ばれる。メインローブの両側にはサイドローブと呼ばれる複数の小さいピークが存在する。メインローブの幅Δｕ＝４π／Ｎと、式（１５）から得られるΔｕ＝２πｐΔ（ｓｉｎα）／λとを比較すると、Δ（ｓｉｎα）＝２λ／（Ｎｐ）となる。Δαが小さければ、Δ（ｓｉｎα）＝ｓｉｎα２−ｓｉｎα１＝［（ｓｉｎα２−ｓｉｎα１）／（α２−α１）］Δα≒［ｄ（ｓｉｎα）／ｄα］α＝α０Δα＝ｃｏｓα０Δαとなる。このため、広がり角度は、以下の式（１６）で表される。
【数１６】
2019174538.tif 000018
【０２５８】
したがって、導波路素子１０の本数が多いほど、広がり角度Δαを小さくすることができ、遠方においても高精細な光スキャンが実現できる。同様の議論は、図３６においてθ≠０ｏの場合にも適用できる。
【０２５９】
＜導波路アレイから出射される回折光＞
導波路アレイからは０次光のほかに高次の回折光も出射され得る。簡単のために、図３６においてθ＝０ｏの場合を考える。つまり、回折光の出射方向はＹＺ平面に平行である。
【０２６０】
図３７Ａは、ｐがλよりも大きい場合において、導波路アレイから回折光が出射される様子を示す模式図である。この場合、位相シフトがなければ（α０＝０ｏ）、図３７Ａに示す実線矢印の方向に０次光および±１次光が出射される（ｐの大きさによっては、さらに高次の回折光も出射され得る）。この状態から位相シフトを与えると（α０≠０ｏ）、図３７Ａに示す破線矢印のように、０次光および±１次光の出射角度が同じ回転方向に変化する。±１次光のような高次光を用いてビームスキャンを行うことも可能であるが、よりシンプルにデバイスを構成する場合、０次光のみが用いられる。０次光の利得が低減することを回避するために、隣接する２つの導波路素子１０の間の距離ｐをλよりも小さくすることによって高次光の出射を抑制してもよい。ｐ＞λであっても、高次光を物理的に遮断することによって０次光のみを用いることも可能である。
【０２６１】
図３７Ｂは、ｐがλよりも小さい場合において、導波路アレイから回折光が出射される様子を示す模式図である。この場合、位相シフトがなければ（α０＝０ｏ）、高次の回折光は、回折角度が９０度を超えるため存在せず、前方には０次光だけが出射する。ただし、ｐがλに近い値の場合、位相シフトを与えると（α０≠０ｏ）、出射角度の変化に伴って±１次光が出射される場合がある。
【０２６２】
図３７Ｃは、ｐ≒λ／２の場合において、導波路アレイから回折光が出射される様子を示す模式図である。この場合、位相シフトを与えても（α０≠０ｏ）±１次光は出射しない、あるいは出射したとしてもかなり大きな角度で出射する。ｐ＜λ／２の場合は、位相シフトを与えても高次の光が出射することはない。しかし、ｐをこれ以上小さくすることによるメリットも特にない。よって、ｐは、例えばλ／２以上に設定され得る。
【０２６３】
図３７Ａから図３７Ｃにおける空気へ出射される０次光および±１次光の関係は、以下のように定量的に説明できる。式（１４）のＦ（ｕ）は、Ｆ（ｕ）＝Ｆ（ｕ＋２π）であることから、２πの周期関数である。ｕ＝±２ｍπのとき、Ｆ（ｕ）＝Ｎ（最大）となる。そのとき、ｕ＝±２ｍπを満たす出射角度αで±ｍ次光が出射される。ｕ＝±２ｍπ（ｍ≠０）付近のピーク（ピーク幅はΔｕ＝４π／Ｎ）をグレーティングローブと呼ぶ。
【０２６４】
高次光のうち、±１次光のみを考えると（ｕ＝±２π）、±１次光の出射角度α±は、以下の式（１７）を満たす。
【数１７】
2019174538.tif 000019
【０２６５】
＋１次光が出射されない条件ｓｉｎα＋＞１から、ｐ＜λ／（１―ｓｉｎα０）が得られる。同様に、−１次光が出射されない条件ｓｉｎα−＜−１から、ｐ＜λ／（１＋ｓｉｎα０）が得られる。
【０２６６】
出射角度α０（＞０）の０次光に対して±１次光が出射されるか否かの条件は、以下のように分類される。ｐ≧λ／（１―ｓｉｎα０）の場合、±１次光の両方が出射される。λ／（１＋ｓｉｎα０）≦ｐ＜λ／（１―ｓｉｎα０）の場合、＋１次光は出射されないが−１次光は出射される。ｐ＜λ／（１＋ｓｉｎα０）の場合、±１次光はいずれも出射されない。特に、ｐ＜λ／（１＋ｓｉｎα０）を満たせば、図３６においてθ≠０ｏの場合でも±１次光は出射されない。例えば、±１次光が出射されない場合において片側１０度以上のスキャンを達成するため、α０＝１０°として、ｐは、ｐ≦λ／（１＋ｓｉｎ１０°）≒０．８５λの関係を満たす。例えば、この式と、ｐに関する前述の下限についての条件と組み合わせれば、ｐは、λ／２≦ｐ≦λ／（１＋ｓｉｎ１０°）を満たす。
【０２６７】
しかし、±１次光が出射されない条件を満たすためには、ｐを非常に小さくする必要がある。これは、導波路アレイの作製を困難にする。そこで、±１次光の有無に関わらず、０次光を０°＜α０＜αｍａｘの角度範囲でスキャンすることを考える。ただし、±１次光はこの角度範囲には存在しないとする。この条件を満たすためには、α０＝０°において、＋１次光の出射角度はα＋≧αｍａｘでなければならず（すなわち、ｓｉｎα＋＝（λ／ｐ）≧ｓｉｎαｍａｘ）、α０＝αｍａｘにおいて、−１次光の出射角度はα−≦０でなければならない（すなわち、ｓｉｎα−＝ｓｉｎαｍａｘ−（λ／ｐ）≦０）。これらの制限から、ｐ≦λ／ｓｉｎαｍａｘが得られる。
【０２６８】
上記の議論から、±１次光がスキャンの角度範囲に存在しない場合における０次光の出射角度α０の最大値αｍａｘは、以下の式（１８）を満たす。
【数１８】
2019174538.tif 000020
【０２６９】
例えば、±１次光がスキャンの角度範囲に存在しない場合において片側１０度以上のスキャンを達成するため、αｍａｘ＝１０°とし、ｐ≦λ／ｓｉｎ１０°≒５．７６λを満たす。例えば、今式と、ｐに関する前述の下限についての条件とを組み合わせれば、ｐは、λ／２≦ｐ≦λ／ｓｉｎ１０°を満たす。このｐの上限（ｐ≒５．７６λ）は±１次光が出射されない場合における上限（ｐ≒０．８５λ）と比べて十分大きいので、導波路アレイの作製は比較的容易である。ここで、使用される光が単一波長の光ではない場合、使用される光の中心波長をλとする。
【０２７０】
以上のことから、より広い角度範囲をスキャンするためには、導波路間の距離ｐを小さくする必要がある。一方、ｐが小さい場合に式（１６）における出射光の広がり角度Δαを小さくするためには、導波路アレイの本数を増やす必要がある。導波路アレイの本数は、用途および要求される性能に応じて適宜決定される。導波路アレイの本数は、例えば１６本以上、用途によっては１００本以上であり得る。
【０２７１】
＜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。本実施形態における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」と呼ぶことがある。
【０２７２】
図３８は、位相シフタ８０が導波路素子１０に直接的に接続されている構成の例を示す模式図である。図３８において、破線枠で囲まれた部分が位相シフタ８０に該当する。この位相シフタ８０は、前述の全反射導波路１と、全反射導波路１の近傍に配置されたヒーター６８とを含む。ヒーター６８は、外部の制御回路からの制御によって発熱し、導波路１内の屈折率を変化させる。これにより、導波路１内を伝搬する光の位相を変化させる。この例では、位相シフタ８０が、前述の「第１の導波路」を含む。このように、「第１の導波路」は、位相シフタとして機能してもよい。
【０２７３】
位相シフタ８０は、図３８の構成に限定されない。位相シフタ８０は、導波路１に接続された屈折率が可変な他の導波路を含んでいてもよい。その場合、当該他の導波路内の屈折率を変調させることにより、位相シフトを生じさせることができる。当該他の導波路は、導波路素子１０と同様のスローライト導波路であってもよい。導波路素子１０と同様の方法により、屈折率の変調を生じさせることができる。
【０２７４】
図３９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３９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良い。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で、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とをさらに備えている。図３９における直線の矢印は光の入力を示している。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。
【０２７５】
第１駆動回路１１０は、後述するように、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、後述するように、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。
【０２７６】
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良い。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。
【０２７７】
図４０は、位相シフタ８０における導波路が、導波路素子１０における光導波層２０と、他の導波路８５を介して繋がる構成の例を模式的に示す図である。他の導波路８５は、上述した何れかの第１の導波路１であってもよい。各位相シフタ８０は、図３８に示す位相シフタ８０と同じ構成を有していてもよいし、異なる構成を有していてもよい。図４０では、位相シフタ８０を、位相シフト量を表す記号φ０〜φ５を用いて、簡易的に表現している。以降の図でも同様の表現を用いることがある。位相シフタ８０には、全反射を利用して光を伝搬させる導波路を利用することができる。
【０２７８】
図４１は、光分岐器９０にカスケード状に並ぶ複数の位相シフタ８０を挿入した構成例を示す図である。この例では、光分岐器９０の経路の途中に、複数の位相シフタ８０が接続されている。各位相シフタ８０は、伝搬する光に一定の位相シフト量φを与える。それぞれの位相シフタ８０が伝搬光に与える位相シフト量を一定にすることで、隣接する２つの導波路素子１０の間の位相差が等しくなる。したがって、第２調整素子は、全ての位相シフタ８０に共通の位相制御信号を送ることができる。このため、構成が容易になるという利点がある。
【０２７９】
光分岐器９０、位相シフタ８０および導波路素子１０などの間で、光を効率的に伝搬させるために、導波路を利用することができる。導波路には、周囲の材料よりも高い屈折率を有する、光の吸収が少ない光学材料を用いることができる。例えば、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＡｌＮ、ＳｉＮなどの材料が用いられ得る。また、光分岐器９０から導波路素子１０に光を伝搬させるために、上述した何れかの第１の導波路１を用いてもよい。
【０２８０】
位相シフタ８０では、光に位相差を与えるために光路長を変える機構が必要である。光路長を変えるために、本実施形態では、位相シフタ８０における導波路の屈折率が変調される。これにより、隣接する２つの位相シフタ８０から導波路素子１０に供給される光の位相差を調整することができる。より具体的には、位相シフタ８０が有する導波路内の位相シフト材料の屈折率変調を行うことで、位相シフトを与えることができる。屈折率変調を行う構成の具体例については、後述する。
【０２８１】
＜第１調整素子の例＞
次に、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調整する第１調整素子の構成例を説明する。
【０２８２】
まず、屈折率を調整する場合の構成例を説明する。
【０２８３】
図４２Ａは、第１調整素子６０（以下、単に調整素子と呼ぶことがある）の構成の一例を模式的に示す斜視図である。図４２Ａに示される例では、一対の電極６２を有する調整素子６０が導波路素子１０に組み込まれている。光導波層２０は、一対の電極６２に挟まれている。光導波層２０および一対の電極６２は、第１のミラー３０と第２のミラー４０との間に設けられている。光導波層２０の側面（ＸＺ面に平行な表面）の全体が、電極６２に接触している。光導波層２０は、電圧が印加された場合に、光導波層２０を伝搬する光に対する屈折率が変化する屈折率変調材料を含む。調整素子６０は、一対の電極６２から引き出された配線６４と、配線６４に接続された電源６６とをさらに有している。電源６６をオンにして配線６４を通じて一対の電極６２に電圧を印加することで、光導波層２０の屈折率を変調することができる。このため、調整素子６０を屈折率変調素子と呼ぶこともできる。
【０２８４】
図４２Ｂは、第１調整素子６０の他の構成例を模式的に示す斜視図である。この例では、光導波層２０の側面の一部のみが電極６２に接触している。それ以外の点は、図４２Ａに示す構成と同じである。このように、光導波層２０の屈折率を部分的に変化させる構成であっても、出射光の方向を変化させることができる。
【０２８５】
図４２Ｃは、調整素子６０のさらに他の構成例を模式的に示す斜視図である。この例では、一対の電極６２は、ミラー３０および４０の反射面に略平行な層状の形状を有する。一方の電極６２は、第１のミラー３０と光導波層２０との間に挟まれている。他方の電極６２は、第２のミラー４０と光導波層２０との間に挟まれている。このような構成を採用する場合、電極６２には、透明電極が用いられ得る。このような構成によれば、製造が比較的容易であるという利点がある。
【０２８６】
図４２Ａから図４２Ｃに示す例では、各導波路素子１０における光導波層２０は、電圧が印加された場合に、光導波層２０を伝搬する光に対する屈折率が変化する材料を含む。第１調整素子６０は、光導波層２０を挟む一対の電極６２を有し、一対の電極６２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。電圧の印加は、前述の第１駆動回路１１０（図３９参照）によって行われ得る。
【０２８７】
ここで、各構成要素に用いられ得る材料の例を説明する。
【０２８８】
ミラー３０、４０、３０ａ、および４０ａの材料には、例えば誘電体による多層膜を用いることができる。多層膜を用いたミラーは、例えば、各々が１／４波長の光学厚さを有する、屈折率の異なる複数の膜を周期的に形成することによって作製できる。このような多層膜ミラーによれば、高い反射率を得ることができる。膜の材料として、例えばＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｓｉ、ＳｉＮなどを用いることができる。各ミラーは、多層膜ミラーに限らず、Ａｇ、Ａｌなどの金属で形成されていてもよい。
【０２８９】
電極６２および配線６４には、導電性を有する様々な材料を利用することができる。例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｗ、Ｔｉ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｐｄなどの金属材料、またはＩＴＯ、酸化錫、酸化亜鉛、ＩＺＯ（登録商標）、ＳＲＯなどの無機化合物、またはＰＥＤＯＴ、ポリアニリンなどの導電性高分子などの導電性材料を用いることができる。
【０２９０】
光導波層２０の材料には、誘電体、半導体、電気光学材料、液晶分子などの様々な透光性の材料を利用することができる。誘電体としては、例えばＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＮ、ＡｌＮが挙げられる。半導体材料としては、例えば、Ｓｉ系、ＧａＡｓ系、ＧａＮ系の材料が挙げられる。電気光学材料としては、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ）、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ）などが挙げられる。
【０２９１】
光導波層２０の屈折率を変調する方法には、例えば、キャリア注入効果、電気光学効果、複屈折効果、または熱光学効果を利用した方法がある。以下、各方法の例を説明する。
【０２９２】
キャリア注入効果を利用した方法は、半導体のｐｉｎ接合を利用した構成によって実現され得る。この方法では、ドープ濃度の低い半導体をｐ型半導体およびｎ型半導体で挟み込んだ構造が用いられ、半導体にキャリアを注入することによって屈折率が変調される。この構成では、各導波路素子１０における光導波層２０は、半導体材料を含む。一対の電極６２の一方はｐ型半導体を含み、他方はｎ型半導体を含み得る。第１調整素子６０は、一対の電極６２に電圧を印加することにより、半導体材料にキャリアを注入し、光導波層２０の屈折率を変化させる。光導波層２０をノンドープまたは低ドープ濃度の半導体で作製し、これに接するようにｐ型半導体およびｎ型半導体を設ければ良い。低ドープ濃度の半導体にｐ型半導体およびｎ型半導体が接するように配置し、さらにｐ型半導体およびｎ型半導体に導電性材料が接するような複合的な構成にしてもよい。例えば、Ｓｉに１０２０ｃｍ−３程度のキャリアを注入すると、Ｓｉの屈折率が０．１程度変化する（例えば、“Ｆｒｅｅ  ｃｈａｒｇｅ  ｃａｒｒｉｅｒ  ｉｎｄｕｃｅｄ  ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ  ｉｎｄｅｘ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｓｉｌｉｃｏｎ”  ７ｔｈ  ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｇｒｏｕｐ  ＩＶ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ，  Ｐ１０２  ‐  １０４，  １−３  Ｓｅｐｔ．  ２０１０を参照）。この方法を採用する場合、図４２Ａから図４２Ｃにおける一対の電極６２の材料として、ｐ型半導体およびｎ型半導体が用いられ得る。あるいは、一対の電極６２は金属で構成し、電極６２と光導波層２０との間の層、または、光導波層２０自体にｐ型またはｎ型半導体を含ませてもよい。
【０２９３】
電気光学効果を利用した方法は、電気光学材料を含む光導波層２０に電場をかけることで実現され得る。特に、電気光学材料としてＫＴＮを用いれば、大きな電気光学効果を得ることができる。ＫＴＮは正方晶から立方晶への相転移温度よりも少し高い温度で比誘電率が著しく上昇するため、この効果を利用することができる。例えば、“Ｌｏｗ−Ｄｒｉｖｉｎｇ−Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ  Ｗｉｔｈ  Ｎｏｖｅｌ  ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ”  Ｊｐｎ．  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．，  Ｖｏｌ．４３，  Ｎｏ．  ８Ｂ  （２００４）  によれば、波長１．５５μｍの光に対して電気光学定数ｇ＝４．８×１０−１５ｍ２／Ｖ２が得られる。よって、例えば２ｋＶ／ｍｍの電場をかけると、屈折率が０．１（＝ｇｎ３Ｅ３／２）程度変化する。このように、電気光学効果を利用した構成では、各導波路素子１０における光導波層２０は、ＫＴＮなどの電気光学材料を含む。第１調整素子６０は、一対の電極６２に電圧を印加することにより、電気光学材料の屈折率を変化させる。
【０２９４】
液晶による複屈折効果を利用した方法では、液晶材料を含む光導波層２０を電極６２で駆動することで、液晶の屈折率異方性を変化させることができる。これにより、光導波層２０を伝搬する光に対する屈折率を変調することができる。液晶は一般に０．１〜０．２程度の複屈折率差を有するので、液晶の配向方向を電場で変えることで複屈折率差と同等の屈折率変化が得られる。このように、液晶の複屈折効果を利用した構成では、各導波路素子１０における光導波層２０は、液晶材料を含む。第１調整素子６０は、一対の電極６２に電圧を印加することにより、液晶材料の屈折率異方性を変化させ、光導波層２０の屈折率を変化させる。
【０２９５】
熱光学効果は、材料の温度変化に伴って屈折率が変化する効果である。熱光学効果による駆動を行うために、熱光学材料を含む光導波層２０を加熱することで屈折率を変調してもよい。
【０２９６】
図４３は、高い電気抵抗を有する材料によって構成されるヒーター６８を含む調整素子６０と導波路素子１０とを組み合わせた構成の例を示す図である。ヒーター６８は、光導波層２０の近傍に配置され得る。電源６６をオンにして導電性材料を含む配線６４を通じてヒーター６８に電圧をかけることにより、加熱することができる。ヒーター６８を光導波層２０に接触させてもよい。本構成例では、各導波路素子１０における光導波層２０は、温度変化に伴って屈折率が変化する熱光学材料を含む。第１調整素子６０は、光導波層２０に接触してまたは光導波層２０の近傍に配置されたヒーター６８を有する。第１調整素子６０は、ヒーター６８によって熱光学材料を加熱することにより、光導波層２０の屈折率を変化させる。
【０２９７】
光導波層２０自体を高電気抵抗材料で作製し、光導波層２０を直接一対の電極６２で挟み電圧を印加することで加熱してもよい。その場合、第１調整素子６０は、光導波層２０を挟む一対の電極６２を有する。第１調整素子６０は、一対の電極６２に電圧を印加して光導波層２０における熱光学材料（例えば、高電気抵抗材料）を加熱することにより、光導波層２０の屈折率を変化させる。
【０２９８】
ヒーター６８または光導波層２０に用いられる高電気抵抗材料として、半導体または抵抗率の大きい金属材料を用いることができる。半導体としては、例えば、Ｓｉ、ＧａＡｓ、またはＧａＮなどを用いることができる。また、抵抗率の高い金属としては、鉄、ニッケル、銅、マンガン、クロム、アルミニウム、銀、金、プラチナ、またはこれら複数の材料を組み合わせた合金などが用いられ得る。例えば、波長１５００ｎｍの光に対するＳｉの屈折率の温度依存性ｄｎ／ｄＴは１．８７×１０−４（Ｋ−１）である（“Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ−ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ  ｉｎｄｅｘ  ｏｆ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ａｎｄ  ｇｅｒｍａｎｉｕｍ”，  Ｐｒｏｃ．  ＳＰＩＥ  ６２７３，  Ｏｐｔｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  ｆｏｒ  Ａｓｔｒｏｎｏｍｙ，  ６２７３２Ｊを参照）。したがって、温度を５００℃変えると屈折率を０．１程度変化させることができる。光導波層２０の近傍にヒーター６８を設け局所的に加熱すれば、５００℃という大きい温度変化でも比較的高速に行うことができる。
【０２９９】
キャリア注入による屈折率変化の応答速度は、キャリアの寿命によって決まる。一般に、キャリア寿命はナノ秒（ｎｓ）のオーダーであるため１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚ程度の応答速度が得られる。
【０３００】
電気光学材料を用いた場合、電場をかけて電子の分極を誘起することで屈折率変化が生じる。分極を誘起する速度は一般的に極めて高速で、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３などの材料では応答時間はフェムト秒（ｆｓ）オーダーであるため、１ＧＨｚを越えた高速駆動が可能である。
【０３０１】
熱光学材料を用いた場合、温度昇降の速度で屈折率変化の応答速度が決まる。局所的に導波路近傍のみ加熱することで急激な温度上昇が得られる。また、局所的に温度が上がった状態でヒーターを切ると周辺に放熱することで急激に温度を下げることができる。速いものでは１００ＫＨｚ程度の応答速度が得られる。
【０３０２】
以上の例では、第１調整素子６０は、各光導波層２０の屈折率を同時に一定の値だけ変化させることにより、出射光の波数ベクトルのＸ成分を変化させる。屈折率変調において、その変調量は材料の特性に依存し、大きな変調量を得るためには、高い電界を印加したり、液晶を配向させたりする必要がある。一方、導波路素子１０から出射される光の方向は、ミラー３０とミラー４０の間の距離にも依存する。したがって、ミラー３０とミラー４０の間の距離を変えることによって光導波層２０の厚さを変化させてもよい。以下、光導波層２０の厚さを変化させる構成の例を説明する。
【０３０３】
光導波層２０の厚さを変えるためには、光導波層２０は、例えば気体または液体などの容易に変形する材料で構成され得る。光導波層２０を挟むミラー３０および４０の少なくとも一方を移動させることにより、光導波層２０の厚さを変化させることができる。この際、上下のミラー３０とミラー４０の間の平行度を保つために、ミラー３０または４０の変形を最小限にするような構成が採用され得る。
【０３０４】
図４４は、変形し易い材料で構成された支持部材７０でミラー３０が保持された構成例を示す図である。支持部材７０は、ミラー３０よりも相対的に変形しやすい厚さの薄い部材または細いフレームを含み得る。この例では、第１調整素子は、各導波路素子１０における第１のミラー３０に接続されたアクチュエータを有する。アクチュエータは、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。なお、アクチュエータは、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接続され得る。ミラー３０を駆動するアクチュエータとして、例えば、静電気力、電磁誘導、圧電材料、形状記憶合金、または熱を利用した種々のアクチュエータを用いることができる。
【０３０５】
静電気力を利用した構成では、第１調整素子におけるアクチュエータは、静電気力によって発生する電極間の引力または斥力を用いてミラー３０および／または４０を移動させる。以下、そのような構成のいくつかの例を説明する。
【０３０６】
図４５は、電極間に発生する静電気力によってミラー３０および／または４０を移動させる構成の一例を示す図である。この例では、ミラー３０と光導波層２０との間、およびミラー４０と光導波層２０との間に、透光性を有する電極６２（例えば透明電極）が設けられている。ミラー３０の両側に配置された支持部材７０の各々は、一端がミラー３０に固定され、他端が不図示の筐体に固定されている。一対の電極６２に正負の電圧を印加することで、引力が生じ、ミラー３０とミラー４０の間の距離が縮小する。電圧の印加を止めると、ミラーを保持する支持部材７０の復元力が生じ、ミラー３０とミラー４０の間の距離が元の長さに戻る。このような引力を生じさせる電極６２は、ミラー全面に設けられている必要はない。この例におけるアクチュエータは、一対の電極６２を有し、一対の電極６２の一方は第１のミラー３０に固定され、一対の電極６２の他方は第２のミラー４０に固定されている。アクチュエータは、一対の電極６２に電圧を印加することにより、電極間に静電気力を発生させ、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。なお、電極６２への電圧の印加は、前述の第１駆動回路１１０（例えば図３９）によって行われる。
【０３０７】
図４６は、引力を生じさせる電極６２を、光の伝搬を妨げない位置に配置した構成例を示す図である。この例では、電極６２を透明にする必要はない。図示されているように、ミラー３０および４０のそれぞれに固定された電極６２は単一である必要はなく、分割されていてもよい。分割された電極の一部の静電容量を計測することで、ミラー３０とミラー４０の間の距離を計測し、ミラー３０とミラー４０の平行度を調整するなどのフィードバック制御を行うことができる。
【０３０８】
電極間の静電気力を利用する代わりに、コイル内の磁性体に引力または斥力を生じさせる電磁誘導を利用してミラー３０および／または４０を駆動してもよい。
【０３０９】
圧電材料、形状記憶合金、または熱による変形を利用したアクチュエータでは、外部から加えられたエネルギーによって材料が変形する現象が利用される。例えば、代表的な圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）は、電界を分極方向に印加することによって伸縮する。この圧電材料によってミラー３０とミラー４０の間の距離を直接変化させることができる。しかし、ＰＺＴの圧電定数は１００ｐｍ／Ｖ程度であるため、例えば１Ｖ／μｍの電界を印加しても変位量は０．０１％程度と微小である。このため、このような圧電材料を用いた場合には、十分なミラーの移動距離を得ることができない。そこで、ユニモルフまたはバイモルフと呼ばれる構成を用いて、変化量を増加させることができる。
【０３１０】
図４７は、圧電材料を含む圧電素子７２の例を示す図である。矢印は、圧電素子７２の変位方向を示し、その矢印の大きさは変位量を示す。図４７に示すように、圧電素子７２の変位量は材料の長さに依存するため、面方向の変位量は厚さ方向の変位量よりも大きい。
【０３１１】
図４８Ａは、図４７に示す圧電素子７２を用いたユニモルフの構造を有する支持部材７４ａの構成例を示す図である。この支持部材７４ａは、１層の圧電素子７２と、１層の非圧電素子７１とが積層された構造を有する。このような支持部材７４ａをミラー３０および４０の少なくとも一方に固定し、変形させることにより、ミラー３０とミラー４０の間の距離を変化させることができる。
【０３１２】
図４８Ｂは、圧電素子７２に電圧を印加することによって支持部材７４ａが変形した状態の例を示す図である。圧電素子７２に電圧が印加されると、圧電素子７２のみが面方向に伸びるため、支持部材７４ａ全体がたわむ。このため、非圧電素子７１が無い場合と比較して、変位量を増加させることができる。
【０３１３】
図４９Ａは、図４７に示す圧電素子７２を用いたバイモルフの構造を有する支持部材７４ｂの構成例を示す図である。この支持部材７４ｂは、２層の圧電素子７２と、その間の１層の非圧電素子７１とが積層された構造を有する。このような支持部材７４ｂをミラー３０および４０の少なくとも一方に固定し、変形させることにより、ミラー３０とミラー４０の間の距離を変化させることができる。
【０３１４】
図４９Ｂは、両側の圧電素子７２に電圧を印加することによって支持部材７４ａが変形した状態の例を示す図である。バイモルフでは、上下の圧電材料７２において変位方向が反対になる。そのため、バイモルフの構成を用いた場合、ユニモルフの構成よりもさらに変位量を増加させることができる。
【０３１５】
図５０は、図４８Ａに示す支持部材７４ａをミラー３０の両側に配置したアクチュエータの例を示す図である。このような圧電アクチュエータによって梁をたわませるように支持部材７４ａを変形させることにより、ミラー３０とミラー４０の間の距離を変化させることができる。図４８Ａに示す支持部材７４ａに代えて、図４９Ａに示す支持部材７４ｂを用いてもよい。
【０３１６】
なお、ユニモルフ型のアクチュエータは、円弧状に変形するため、図５１Ａに示すように、固定されていない側の先端には傾きが生じる。そのため、ミラー３０の剛性が低いと、ミラー３０とミラー４０を平行に保持することが困難である。そこで、図５１Ｂに示すように、伸縮する方向の異なる２つのユニモルフ型の支持部材７４ａを直列に繋ぎ合わせてもよい。図５１Ｂの例では、支持部材７４ａにおいて、伸縮する領域と伸展する領域とで、たわむ方向が反対になる。その結果、固定されていない側の先端に傾きを生じさせないようにすることができる。このような支持部材７４ａを用いることにより、ミラー３０および４０が傾くことを抑制することができる。
【０３１７】
上記と同様に、熱膨張係数の異なる材料を貼り合わせることによっても、たわみ変形する梁構造を実現することができる。さらに、梁構造を形状記憶合金で実現することもできる。いずれも、ミラー３０とミラー４０の距離の調整に利用され得る。
【０３１８】
また、光導波層２０を密閉空間とし、内部の空気または液体を小型ポンプなどで出し入れして光導波層２０の体積を変化させることによってミラー３０とミラー４０の間の距離を変えることも可能である。
【０３１９】
以上のように、第１調整素子におけるアクチュエータは、多様な構造によって光導波層２０の厚さを変化させることができる。このような厚さの変化は、複数の導波路素子１０のそれぞれについて個別に行ってもよいし、全ての導波路素子１０について一律に行ってもよい。特に、複数の導波路素子１０の構造が全て同じである場合、各導波路素子１０におけるミラー３０とミラー４０の間の距離が一定に制御される。このため、１つのアクチュエータが、全ての導波路素子１０を一括して駆動することができる。
【０３２０】
図５２は、複数の第１のミラー３０を保持する支持部材（すなわち、補助基板）５２をアクチュエータで一括して駆動する構成の例を示す図である。図５２では、第２のミラー４０は１つのプレート状のミラーである。ミラー４０は、前述の実施形態のように、複数のミラーに分割されていてもよい。支持部材５２は、透光性を有する材料で構成され、両側にユニモルフ型の圧電アクチュエータが設けられている。
【０３２１】
図５３は、複数の導波路素子１０における第１のミラー３０が１つのプレート状のミラーである構成例を示す図である。この例では、第２のミラー４０は、導波路素子１０ごとに分割されている。図５２および図５３の例のように、各導波路素子１０におけるミラー３０および４０の少なくとも一方が、１つのプレート状のミラーの部分であってもよい。アクチュエータは、当該プレート状のミラーを移動させることにより、ミラー３０とミラー４０の間の距離を変化させてもよい。
【０３２２】
＜液晶材料を用いた構成の具体例＞
次に、光導波層２０に液晶材料を用いた構成の具体例を説明する。
【０３２３】
前述のように、液晶による複屈折効果を利用した方法では、液晶材料を含む光導波層２０を電極６２で駆動することで、液晶の屈折率異方性を変化させることができる。これにより、光導波層２０を伝搬する光に対する屈折率を変調することができる。液晶は一般に０．１〜０．２程度の複屈折率差を有するので、液晶の配向方向を電場で変えることで複屈折率差と同等の屈折率変化が得られる。このように、液晶の複屈折効果を利用した構成では、各導波路素子１０における光導波層２０は、液晶材料を含む。第１調整素子６０における駆動回路は、一対の電極６２に電圧を印加することにより、液晶材料の屈折率異方性を変化させ、光導波層２０の屈折率を変化させることができる。
【０３２４】
電圧印加時に屈折率の変化を大きくするためには、一対の電極６２の配置と、液晶材料の配向方向すなわち液晶分子の長手方向とが適切な関係にあることが望まれる。さらに、光導波層２０に入力する光として、直線偏光を用い、その偏光方向を適切な方向に設定することが望まれる。
【０３２５】
液晶の複屈折差は、液晶分子の長手方向の誘電率と短手方向の誘電率とが異なることに起因する。このため、光導波層２０内の液晶分子の配向方向を入射光の偏光方向に応じて適切に制御することで、より効果的に屈折率を変化させることができる。
【０３２６】
図５４Ａおよび図５４Ｂは、光導波層２０に液晶材料７５を用いた構成の第１の例を示している。図５４Ａおよび図５４Ｂには、一対の電極６２に挟まれた光導波層２０と、一対の電極６２に電圧を印加する駆動回路１１０とが示されている。この例における駆動回路１１０は、駆動電源１１１と、スイッチング素子１１２（以下、スイッチ１１２とも称する）とを備えている。図５４Ａはスイッチ１１２がＯＦＦの状態を示し、図５４Ｂはスイッチ１１２がＯＮの状態を示している。
【０３２７】
一対の電極６２は、透明電極である。一対の電極６２は、図示されていない第１および第２のミラーに平行に配置されている。すなわち、一対の電極６２は、電圧が印加されたとき、各ミラーの法線方向であるＺ方向に電場を発生させるように配置されている。図５４Ａに示されるように、液晶分子７６の長手方向は、一対の電極６２に電圧が印加されていない状態において、光導波層２０が延びる方向（Ｘ方向）に平行である。
【０３２８】
図５４Ａおよび図５４Ｂにおける実線矢印は光の進行方向を示し、破線矢印は偏光方向を示している。この例においては、光導波層２０にはＰ偏光が入力される。Ｐ偏光は、光の入射面に平行に電場が振動する直線偏光である。光の入射面は、各ミラーの反射面に入射する光の方向と反射される光の方向とで形成される面である。本実施形態では、光の入射面はＸＺ面にほぼ平行である。各ミラーの反射面における光の入射角および反射角をθとするとき、Ｐ偏光の光の電場の振動方向は、ＸＺ面内においてＸ方向から角度θだけ傾斜した方向である。しかし、図５４Ａ、図５４Ｂ、および以降の図では、Ｓ偏光との区別をわかり易くするために、θが十分に小さいものとして、Ｐ偏光の偏光方向を示す破線矢印を、Ｘ方向に平行に示している。
【０３２９】
光導波層２０のＺ方向のサイズ（高さ）は、例えば０．１μｍから１０μｍの範囲内の値、より好ましくは０．２μｍから３μｍの範囲内の値に設定され得る。光導波層２０のＹ方向のサイズ（幅）は、例えば１μｍから１００μｍの範囲内の値、より好ましくは１μｍから３０μｍの範囲内の値に設定され得る。光導波層２０のＸ方向のサイズ（長さ）は、例えば１００μｍから１００ｍｍの範囲内の値、より好ましくは１ｍｍから３０ｍｍの範囲内の値に設定され得る。
【０３３０】
液晶材料は、例えばネマチック液晶であり得る。ネマチック液晶の分子構造は、以下のとおりである。
Ｒ１−Ｐｈ１−Ｒ２−Ｐｈ２−Ｒ３
【０３３１】
ここで、Ｒ１、Ｒ３は、アミノ基、カルボニル基、カルボキシル、シアノ基、アミン基、ニトロ基、ニトリル基、およびアルキル鎖からなる群から選択されるいずれか１つを表す。Ｒ３は、アミノ基、カルボニル基、カルボキシル、シアノ基、アミン基、ニトロ基、ニトリル基、およびアルキル鎖からなる群から選択されるいずれか一つを表す。Ｐｈ１は、フェニル基またはビフェニル基等の芳香族基を表す。Ｐｈ２は、フェニル基またはビフェニル基等の芳香族基を表す。Ｒ２は、ビニル基、カルボニル基、カルボキシル基、ジアゾ基、およびアゾキシ基からなる群から選択されるいずれか１つを表す。
【０３３２】
液晶は、ネマチック液晶に限定されない。例えば、スメクチック液晶を用いてもよい。液晶は、スメクチック液晶の中でも、例えばスメクチックＣ相（ＳｍＣ相）であってもよい。スメクチック液晶は、スメクチックＣ相（ＳｍＣ相）の中でも、例えば液晶分子内にキラル中心（例えば、不斉炭素）を有し強誘電性液晶であるカイラルスメクチック相（ＳｍＣ＊相）あってもよい。
【０３３３】
ＳｍＣ＊相の分子構造は、以下のように表される。
【化１】
2019174538.tif 000021
【０３３４】
Ｒ１、Ｒ４は、アミノ基、カルボニル基、カルボキシル基、シアノ基、アミン基、ニトロ基、ニトリル基、およびアルキル鎖からなる群から選択されるいずれか１つである。Ｐｈ１は、フェニル基またはビフェニル基等の芳香族基である。Ｐｈ２は、フェニル基またはビフェニル基等の芳香族基である。Ｒ２は、ビニル基、カルボニル基、カルボキシル基、ジアゾ基、およびアゾキシ基からなる群から選択されるいずれか１つである。Ｃｈ＊はキラル中心を表す。キラル中心は典型的には炭素（Ｃ*）である。Ｒ３は、水素、メチル基、アミノ基、カルボニル基、カルボキシル基、シアノ基、アミン基、ニトロ基、ニトリル基、およびアルキル鎖からなる群から選択されるいずれか１つである。Ｒ５は、水素、メチル基、アミノ基、カルボニル基、カルボキシル基、シアノ基、アミン基、ニトロ基、ニトリル基、およびアルキル鎖からなる群から選択されるいずれか一つである。Ｒ３、Ｒ４、およびＲ５は、互いに異なる官能基である。
【０３３５】
液晶材料は、組成の異なる複数の液晶分子の混合物であってもよい。例えば、ネマチック液晶分子と、スメクチック液晶分子との混合物を光導波層２０の材料として用いてもよい。
【０３３６】
一般に、液晶セル内に液晶材料を注入する際には、液晶セルの温度を上げ、液晶材料の流動性を増した状態で液晶セル内に液晶材料を注入する。このため、注入時の流れに沿った方向に液晶分子が配向する傾向が高いことが知られている。図５４Ａに示す光導波層２０に液晶を注入する場合には、光導波層２０のＹＺ面に平行な端面から液晶材料を注入すると、液晶分子７６は、光導波層２０の長手方向（Ｘ方向）に平行に配向する。
【０３３７】
図５４Ａに示すように、駆動回路１１０のスイッチング素子１１２がＯＦＦ、すなわち光導波層２０に駆動電圧が印加されない状態では、伝搬する光の偏光方向と液晶分子の長手方向とが平行に近くなる。厳密には、偏光方向と液晶分子の長手方向とは、前述のとおり角度θで交差する。この状態では、光導波層２０は、伝搬する光に対して比較的高い屈折率をもつ。この際の液晶の屈折率ｎ‖は、一般的な液晶材料を使用した場合、概ね１．６から１．７程度である。この状態では、光導波層２０から出射する光の出射角は、比較的大きくなる。
【０３３８】
他方、図５４Ｂに示すように、駆動回路１１１のスイッチング素子１１２をＯＮ、すなわち光導波層２０に駆動電圧を印加すると、液晶分子７６が透明電極６２に対して垂直に立ち上がるように配向する。このため、伝搬する光の偏光方向と液晶分子の長手方向とがなす角度が９０度に近くなる。厳密には、偏光方向と液晶分子の長手方向とは、角度（９０°−θ）で交差する。この状態では、光導波層２０は、伝搬する光に対して比較的低い屈折率をもつ。この際の液晶の屈折率ｎ⊥は、一般的な液晶材料を使用した場合、概ね１．４から１．５程度である。この状態では、光導波層２０から出射する光の出射角は、比較的小さくなる。
【０３３９】
なお、図５４Ｂは、図中の下側の電極６２と光導波層２０との間に配向膜がある例を示している。配向膜があるため、図中の下側の液晶分子７６は立ち上がりにくくなっている。このような配光膜は、上側の電極６２に設けられていてもよい。配向膜は設けられていなくてもよい。
【０３４０】
このように、光導波層２０に液晶材料を用いることで、印加電圧のＯＮ／ＯＦＦによって屈折率を０．１から０．２程度変化させることができる。これにより、光導波層２０から出射する光の出射角を変化させることができる。
【０３４１】
なお、この例では、駆動回路１１０が駆動電源１１１とスイッチング素子１１２とを有しているが、このような構成に限定されない。例えば、駆動回路１１０は、スイッチング素子１１２の代わりに電圧アンプ（ｖｏｌｔａｇｅ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）のような電圧制御回路を用いてもよい。そのような構成を用いることで、液晶分子７６の配向を連続的に変化することが可能となり、任意の出射角度に制御することができる。
【０３４２】
図５５は、光導波層２０に光を入力する光入力装置１１３の構成例を模式的に示す断面図である。この例における光入力装置１１３は、光源１３０と、光源１３０から出射された光を伝搬して光導波層２０に入力する導波路１とを有している。この例における導波路１は、図３８に示す構成と同様の位相シフタ８０であるが、他の構造をもつ導波路であってもよい。
【０３４３】
光源１３０は、図５５におけるＸＺ面内で振動する電場をもつ直線偏光を出射する。光源１３０から出射された直線偏光は、位相シフタ８０を介して光導波層２０に入射し、Ｐ偏光として伝搬する。このように、光スキャンデバイスは、光導波層２０にＰ偏光を入力する光入力装置１１３を備えていてもよい。後述する例のように、光導波層２０にＳ偏光、すなわち、Ｙ方向に振動する電場をもつ直線偏光を入力する場合には、光源１３０もＳ偏光を出射するように構成され得る。
【０３４４】
図５６Ａおよび図５６Ｂは、光導波層２０に液晶材料を用いた構成の第２の例を示している。第２の例が第１の例と異なる点は、入射光の偏光がＳ偏光であり、一対の電極６２に電圧が印加されていない状態において、液晶分子７６の配向方向が、光導波層２０が延びる方向（Ｘ方向）および各ミラーの法線方向（Ｚ方向）の両方に垂直な方向（Ｙ方向）である点にある。入射光がＳ偏光であるため、その電場の方向は入射面に垂直なＹ方向である。
【０３４５】
液晶分子７６の配向方向は、液晶を挿入する前に予め液晶セルとなる上下の電極６２の表面をラビングすることで配向方向を制御することができる。また、上下の電極６２の表面にポリイミド等の配向層（配向膜）を塗布形成することで配向方向を制御することができる。
【０３４６】
図５６Ａに示すように、駆動回路１１０のスイッチング素子１１２がＯＦＦ、すなわち光導波層２０に駆動電圧が印加されない状態では、伝搬する光の偏光方向と液晶分子の長手方向とがほぼ平行である。この状態では、光導波層２０は、伝搬する光に対して比較的高い屈折率をもつ。この際の液晶の屈折率ｎ‖は、一般的な液晶材料を使用した場合、概ね１．６から１．７程度である。この状態では、光導波層２０から出射する光の出射角は、比較的大きくなる。
【０３４７】
他方、図５６Ｂに示すように、駆動回路１１１のスイッチング素子１１２をＯＮ、すなわち光導波層２０に駆動電圧を印加すると、液晶分子７６が透明電極６２に対して垂直に立ち上がるように配向する。このため、伝搬する光の偏光方向と液晶分子の長手方向とがなす角度はほぼ直角になる。この状態では、光導波層２０は、伝搬する光に対して比較的低い屈折率をもつ。この際の液晶の屈折率ｎ⊥は、一般的な液晶材料を使用した場合、概ね１．４から１．５程度である。この状態では、光導波層２０から出射する光の出射角は、比較的小さくなる。
【０３４８】
図５６Ａおよび図５６Ｂに示す構成では、電圧が印加されていない状態では偏光方向と液晶分子７６の配向方向とが一致し、高い電圧が印加されている状態では偏光方向と液晶分子７６の配向方向とが直交する。このため、図５４Ａおよび図５４Ｂに示す構成と比較して、同一の電圧の印加に対して屈折率をより大きく変化させることができる。したがって、光の出射角度をより大きく変化させることができる。他方、図５４Ａおよび図５４Ｂに示す構成は、製造し易いという利点がある。
【０３４９】
図５７Ａおよび図５７Ｂは、光導波層２０に液晶材料を用いた構成の第３の例を示している。第３の例が第１の例と異なる点は、入射光の偏光がＳ偏光であり、一対の電極６２が、光導波層２０を間に挟んで、ＸＺ面に平行に配置されている点にある。この例における一対の電極６２は、第１のミラー３０および第２のミラー４０の各々にほぼ垂直に配置されている。一対の電極６２は、電圧が印加されたとき、光導波層２０が延びる方向（Ｘ方向）および各ミラーの法線方向（Ｚ方向）の両方に垂直なＹ方向に電場を発生させる。第１の例と同様、一対の電極に電圧が印加されていない状態において、液晶材料の配向方向は光導波層２０が延びる方向に平行である。
【０３５０】
図５７Ａに示すように、駆動回路１１０のスイッチング素子１１２がＯＦＦ、すなわち光導波層２０に駆動電圧が印加されない状態では、伝搬する光の偏光方向と液晶分子の長手方向とがほぼ垂直になる。この状態では、光導波層２０は、伝搬する光に対して比較的低い屈折率をもつ。この際の液晶の屈折率ｎ⊥は、一般的な液晶材料を使用した場合、概ね１．４から１．５程度である。この状態では、光導波層２０から出射する光の出射角は、比較的小さくなる。
【０３５１】
他方、図５７Ｂに示すように、駆動回路１１１のスイッチング素子１１２をＯＮ、すなわち光導波層２０に駆動電圧を印加すると、液晶分子７６の長手方向が、光導波層２０が延びる方向（Ｘ方向）および各ミラー３０、４０の法線方向（Ｚ方向）の両方に垂直な方向（Ｙ方向）になる。このため、伝搬する光の偏光方向と液晶分子の長手方向とがほぼ平行になる。この状態では、光導波層２０は、伝搬する光に対して比較的高い屈折率をもつ。この際の液晶の屈折率ｎ‖は、一般的な液晶材料を使用した場合、概ね１．６から１．７程度である。この状態では、光導波層２０から出射する光の出射角は、比較的大きくなる。
【０３５２】
図５８Ａおよび図５８Ｂは、光導波層２０に液晶材料を用いた構成の第４の例を示している。第４の例が第３の例と異なる点は、入射光の偏光がＰ偏光である点にある。
【０３５３】
図５８Ａに示すように、駆動回路１１０のスイッチング素子１１２がＯＦＦ、すなわち光導波層２０に駆動電圧が印加されない状態では、伝搬する光の偏光方向と液晶分子の長手方向とが平行に近くなる。厳密には、偏光方向と液晶分子の長手方向とは、前述のとおり角度θで交差する。この状態では、光導波層２０は、伝搬する光に対して比較的高い屈折率をもつ。この際の液晶の屈折率ｎ‖は、一般的な液晶材料を使用した場合、概ね１．６から１．７程度である。この状態では、光導波層２０から出射する光の出射角は、比較的大きくなる。
【０３５４】
他方、図５８Ｂに示すように、駆動回路１１１のスイッチング素子１１２をＯＮ、すなわち光導波層２０に駆動電圧を印加すると、液晶分子７６が、透明電極６２に対して垂直に配向する。このため、伝搬する光の偏光方向が液晶分子の長手方向にほぼ垂直になる。この状態では、光導波層２０は、伝搬する光に対して比較的低い屈折率をもつ。この際の液晶の屈折率ｎ⊥は、一般的な液晶材料を使用した場合、概ね１．４から１．５程度である。この状態では、光導波層２０から出射する光の出射角は、比較的小さくなる。
【０３５５】
以上のように、光導波層２０に液晶材料を使用した例では、光の偏光方向、液晶分子７６の配向方向、および一対の電極６２の配置を適切に設定することにより、出射光の方向を制御することができる。入射光の偏光方向がＰ偏光であってもＳ偏光であっても、駆動電圧に応じて出射角度を変化させ光線の方向を制御することができる。
【０３５６】
図５９は、光導波層２０に液晶材料を使用した構成における、光の射出角度の印加電圧依存性を示すグラフである。このグラフは、図５４Ａおよび図５４Ｂに示す構成を用いて、印加電圧を変化させながら光導波層２０から出射する光の射出角度を測定した実験の結果を示している。図６０は、本実験で用いた導波路素子の構成を示す断面図である。この導波路素子では、電極６２ｂ、多層反射膜である第２のミラー４０、液晶層である光導波層２０、多層反射膜である第１のミラー３０、および透明電極６２ａが、この順で積層されている。光導波層２０の両側には、ＳｉＯ２の層が形成されている。
【０３５７】
本実験では、液晶材料として、５ＣＢ（４−Ｃｙａｎｏ−４’−ｐｅｎｔｙｌｂｉｐｈｅｎｙｌ）が用いられている。０Ｖ時の液晶の配向方向は、光導波層２０が延びる方向に平行、すなわち、図６０の紙面垂直方向である。光導波層２０の厚さは１μｍ、光導波層２０の幅は２０μｍである。測定に使用した光は１．４７μｍの波長をもつＴＭ偏光（Ｐ偏光）である。電極６２ｂは、第２のミラー４０における多層反射膜と、図示されていない基板との間に成膜した。この実験では、２つの多層反射膜が電極６２ａおよび６２ｂの間に配置されているため、比較的高い電圧を印加した。
【０３５８】
図５９に示されているように、電圧の印加により、射出角度を約１５°変化させることができた。この実験では、図５４Ａおよび図５４Ｂに示す構成を用いているが、他の構成でも同等以上の効果を得ることができる。
【０３５９】
＜電気光学材料を用いた構成の具体例＞
次に、光導波層２０に電気光学材料を用いた構成の具体例を説明する。
【０３６０】
光導波層２０が電気光学材料を含む光スキャンデバイスにおいては、電気光学材料の分極軸の方向が、一対の電極６２に電圧を印加したときに発生する電場の方向に一致するように光導波層２０が構成される。そのように構成により、一対の電極６２に電圧を印加することで生じる電気光学材料の屈折率の変化を大きくすることができる。
【０３６１】
図６１は、光導波層２０に電気光学材料７７を用いた構成の第１の例を示している。この例では、一対の電極６２は、電圧が印加されたときに一対の電極６２間に発生する電場の方向が、光導波層２０が延びる方向（Ｘ方向）および各ミラーの法線方向（Ｙ方向）の両方に垂直な方向（Ｙ方向）に一致する態様で配置されている。この例における電気光学材料の分極軸の方向は、光導波層２０が延びる方向および各ミラーの法線方向の両方に垂直なＹ方向である。駆動回路１１０は、一対の電極６２に電圧を印加することにより、電気光学材料の、光導波層２０を伝搬する光に対する屈折率を変化させる。
【０３６２】
電気光学材料の分極軸の方向は、電場を与えたときに屈折率の変化が最大になる方向を指す。分極軸を光学軸と呼ぶこともある。図６１において、分極軸の方向は、実線両矢印で示されている。分極軸に沿った方向における屈折率ｎｅは、印加される電圧に応じて変化する。
【０３６３】
本実施形態において使用され得る電気光学材料は、例えば、ＫＴａ１−ｘＮｂｘＯ３、またはＫ１−ｙＡｙＴａ１−ｘＮｂｘＯ３（Ａはアルカリ金属であり、典型的にはＬｉまたはＮａ）で表される化合物であり得る。ｘはＮｂのモル比を表し、ｙはＡのモル比を表す。ｘおよびｙは、０よりも大きく１よりも小さい実数である。
【０３６４】
電気光学材料は、以下の化合物のいずれかであってもよい。
・ＫＤＰ（ＫＨ２ＰＯ４）型結晶・・・例えば、ＫＤＰ、ＡＤＰ（ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４）、ＫＤＡ（ＫＨ２ＡｓＯ４）、ＲＤＡ（ＲｂＨ２ＰＯ４）、またはＡＤＡ（ＮＨ４Ｈ２ＡｓＯ４）
・立方晶系材料・・・例えば、ＫＴＮ、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３Ｐｂ３ＭｇＮｂ２Ｏ９、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、またはＩｎＡｓ
・正方晶系材料・・・例えば、ＬｉＮｂＯ３またはＬｉＴａＯ３
・せん亜鉛鉱型材料・・・例えば、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＧａＡｓ、またはＣｕＣｌ
・タングステンブロンズ型材料・・・ＫＬｉＮｂＯ３、ＳｒＢａＮｂ２Ｏ６、ＫＳｒＮｂＯ、ＢａＮａＮｂＯ、Ｃａ２Ｎｂ２Ｏ７
【０３６５】
図６１に示すように、電気光学材料の分極軸を一対の電極６２に垂直な方向に揃え、一対の電極６２に印加する電圧を駆動回路１１０によって変化させることで屈折率を変化させることができる。この際、入射光をＳ偏光とすることで偏光面と電気光学材料の分極軸が平行となる。このため、電圧による屈折率変化が最も効果的に入射光に反映され、光の出射角度の変化を大きくすることができる。
【０３６６】
図６２は、光導波層２０に電気光学材料７７を用いた構成の第２の例を示している。図６１の構成との違いは、一対の電極６２が、図示されていない第１および第２のミラーに平行に配置されていることである。この例では、電圧印加時に電極６２間に発生する電場の方向、すなわち各電極６２の法線方向はＺ方向であるため、電気光学材料の分極軸の方向もその方向に揃えられている。この例では、入射光をＰ偏光とすることにより、偏光面と電気光学材料の分極軸とが平行となる。このため、電圧による屈折率変化が入射光に反映され、光の出射角度の変化を大きくすることができる。
【０３６７】
このように、光導波層２０に電気光学材料を使用し、光の偏光方向、および、電気光学材料の分極軸を電極６２と垂直方向に揃え、印加する駆動電圧を制御することで、光の出射角度を変化させ、光線の方向を制御することができる。
【０３６８】
図６３Ａおよび図６３Ｂは、各ミラー３０、４０に垂直な一対の電極６２の配置の他の例を示している。図６３Ａの例では、一対の電極６２は、第２のミラー４０の近傍にのみ配置されている。図６３Ｂの例では、一対の電極６２は、第１のミラー３０の近傍にのみ配置されている。これらの例のように、一対の電極６２は、光導波層２０の一部の両側にのみ設けられていてもよい。これらの電極６２は、第２のミラー４０を支持する基板、または第１のミラー３０を支持する基板のいずれかに設けられていてもよい。図６３Ａおよび図６３Ｂのような構成は、光導波層２０の材料が液晶材料および電気光学材料のいずれの場合にも適用され得る。
【０３６９】
以上のように、図５４Ａから図６３Ｂに示す光スキャンデバイスにおける光導波層２０は、液晶材料または電気光学材料を含む。液晶材料の配向方向または電気光学材料の分極軸の方向は、一対の電極６２に電圧が印加されていない状態において、光導波層２０が延びる方向に平行または垂直である。駆動回路１１０は、一対の電極６２に電圧を印加することにより、光導波層２０を伝搬する光に対する液晶材料または電気光学材料の屈折率を変化させることで、光導波層２０から出射される光の方向を変化させる。これにより、入射光の偏光方向を適切に設定することで、光導波層２０の屈折率の変化を大きくし、光の出射角度の変化を大きくすることができる。
【０３７０】
なお、前述のように、２つの方向が「平行」または「一致する」とは、厳密に平行である、または一致することのみならず、両者のなす角度が１５度以下であることを含む。また、２つの方向が「垂直」とは、厳密に垂直であることを意味せず、両者のなす角度が７５度以上１０５度以下であることを含む。
【０３７１】
＜位相シフトのための屈折率変調＞
次に、第２調整素子による複数の位相シフタ８０における位相の調整のための構成を説明する。複数の位相シフタ８０における位相の調整は、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って実現され得る。この屈折率の調整は、既に説明した、各導波路素子１０における光導波層２０の屈折率を調整する方法と全く同じ方法によって実現することができる。例えば、図４２Ａから図４３を参照しながら説明した屈折率変調の構成および方法をそのまま適用することができる。図４２Ａから図４３に関する説明において、導波路素子１０を位相シフタ８０と読み替え、第１調整素子６０を第２調整素子と読み替え、光導波層２０を導波路２０ａと読み替え、第１駆動回路１１０を第２駆動回路２１０と読み替える。このため、位相シフタ８０における屈折率変調についての詳細な説明は省略する。
【０３７２】
各位相シフタ８０における導波路２０ａは、電圧の印加または温度変化に応じて屈折率が変化する材料を含む。第２調整素子は、各位相シフタ８０における導波路２０ａに電圧を印加する、または導波路２０ａの温度を変化させることにより、導波路２０ａ内の屈折率を変化させる。これにより、第２調整素子は、複数の位相シフタ８０から複数の導波路素子１０に伝搬する光の位相の差をそれぞれ変化させることができる。
【０３７３】
各位相シフタ８０は、光が通過するまでの間に、少なくとも２πの位相シフトが可能なように構成され得る。位相シフタ８０における導波路２０ａの単位長さあたりの屈折率の変化量が小さい場合には、導波路２０ａの長さを大きくしてもよい。例えば、位相シフタ８０の大きさは、数百マイクロメートル（μｍ）から数ミリメートル（ｍｍ）、場合によってはそれ以上であってもよい。これに対し、各導波路素子１０の長さは、例えば数十μｍから数十ｍｍ程度の値であり得る。
【０３７４】
＜同期駆動のための構成＞
本実施形態では、第１調整素子は、複数の導波路素子１０から出射される光の方向が揃うように、各導波路素子１０を駆動する。複数の導波路素子１０から出射される光の方向を揃えるために、例えば、各導波路素子１０に個別に駆動部を設け、これらの駆動部を同期駆動する。
【０３７５】
図６４は、それぞれの導波路素子１０の電極６２から配線６４を共通に取り出す構成の例を示す図である。図６５は、一部の電極６２および配線６４を共通にした構成の例を示す図である。図６６は、複数の導波路素子１０に対して共通の電極６２を配置した構成の例を示す図である。図６４〜図６６において、直線の矢印は光の入力を示している。これらの図に示すような構成にすることで、導波路アレイ１０Ａを駆動するための配線をシンプルにすることができる。
【０３７６】
本実施形態の構成によれば、シンプルなデバイス構成で２次元的に光をスキャンすることが可能である。例えば、Ｎ本の導波路素子１０で構成された導波路アレイを同期駆動する場合、それぞれ独立の駆動回路を設けると、Ｎ個の駆動回路が必要である。しかし、上記のように電極または配線を共通にする工夫を行えば１つの駆動回路で動作させることができる。
【０３７７】
導波路アレイ１０Ａの前段に位相シフタアレイ８０Ａを設けた場合、それぞれの位相シフタ８０を独立に動かすためには、さらにＮ個の駆動回路が必要である。しかし、図４１の例のように位相シフタ８０をカスケード状に配置することにより、１つの駆動回路でも動作させることができる。すなわち、本開示の構成では、２個ないし２Ｎ個の駆動回路で、２次元的に光をスキャンさせる動作を実現できる。また、導波路アレイ１０Ａおよび位相シフタアレイ８０Ａをそれぞれ独立して動作させてもよいため、互いの配線が干渉することなく容易に引き出すことができる。
【０３７８】
＜製造方法＞
導波路アレイ、位相シフタアレイ８０Ａ、およびこれらをつなぐ導波路は、半導体プロセス、３Ｄプリンター、自己組織化、ナノインプリントなど、高精度の微細加工が可能なプロセスによって製造することができる。これらのプロセスにより、小さい領域に必要な要素を集積することが可能である。
【０３７９】
特に、半導体プロセスを利用すれば、加工精度が極めて高く、量産性も高いという利点がある。半導体プロセスを利用する場合、基板上に蒸着、スパッタ、ＣＶＤ、塗布などによって様々な材料を成膜することができる。さらに、フォトリソグラフィーとエッチングプロセスにより、微細加工が可能である。基板の材料として、例えばＳｉ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ２、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＧａＮなどを用いることができる。
【０３８０】
＜変形例＞
続いて、本実施形態の変形例を説明する。
【０３８１】
図６７は、位相シフタアレイ８０Ａを配置する領域を大きく確保して、導波路アレイを小さく集積した構成の例を模式的に示す図である。このような構成によれば、位相シフタ８０の導波路を構成する材料において小さな屈折率変化しか生じない場合でも、十分な位相シフト量を確保することができる。また、位相シフタ８０を熱で駆動する場合、間隔を広く取れるため、隣の位相シフタ８０に与える影響を小さくすることができる。
【０３８２】
図６８は、２つの位相シフタアレイ８０Ａａおよび８０Ａｂが、導波路アレイ１０Ａの両側にそれぞれ配置された構成例を示す図である。この例では、光スキャンデバイス１００は、２つの光分岐器９０ａおよび９０ｂ、ならびに２つの位相シフタアレイ８０Ａａおよび８０Ａｂを、導波路アレイ１０Ａの両側に有している。図６８において点線で示されている直線の矢印は、光分岐器９０ａおよび９０ｂおよび位相シフタ８０ａおよび８０ｂを伝搬する光を示している。位相シフタアレイ８０Ａａおよび光分岐器９０ａは、導波路アレイ１０Ａの一方の側に接続され、位相シフタアレイ８０Ａｂおよび光分岐器９０ｂは、導波路アレイ１０Ａの他方の側に設けられている。光スキャンデバイス１００は、さらに、光分岐器９０ａへの光の供給と光分岐器９０ｂへの光の供給を切り替える光スイッチ９２を備えている。光スイッチ９２を切り替えることにより、図６８における左側から導波路アレイ１０Ａに光を入力する状態と、図６８における右側から導波路アレイ１０Ａに光を入力する状態とを切り替えることができる。
【０３８３】
本変形例の構成によれば、導波路アレイ１０Ａから出射される光のＸ方向についてのスキャン範囲を拡大できるという利点がある。導波路アレイ１０Ａに片側から光を入力する構成においては、各導波路素子１０の駆動によって、光の方向を、正面方向（すなわち、＋Ｚ方向）から、＋Ｘ方向または−Ｘ方向のいずれかの方向に沿ってスキャンすることができる。これに対して、本変形例では、図６８における左側の光分岐器９０ａから光を入力した場合、正面方向から＋Ｘ方向に沿って光をスキャンすることができる。一方、右側の光分岐器９０ｂから光を入力した場合、正面方向から−Ｘ方向に光をスキャンすることができる。つまり、図６８の構成では、正面から見て図６８における左右両方向に光をスキャンすることができる。このため、片側から光を入力する構成に比べて、スキャンの角度範囲を広くすることができる。光スイッチ９２は、不図示の制御回路（例えば、マイクロコントローラユニット）から電気信号で制御される。本構成例によれば、全ての素子の駆動を電気信号によって制御することができる。
【０３８４】
以上の説明では、導波路素子１０の配列方向および導波路素子１０が延びる方向が直交している導波路アレイのみを扱ってきた。しかし、これらの方向が直交している必要はない。例えば、図６９Ａに示すような構成を用いてもよい。図６９Ａは、導波路素子１０の配列方向ｄ１および導波路素子１０が延びる方向ｄ２が直交していない導波路アレイの構成例を示している。この例において、各導波路素子１０の光出射面は、同一平面内になくてもよい。このような構成であっても、各導波路素子１０および各位相シフタを適切に制御することにより、光の出射方向ｄ３を２次元的に変化させることができる。
【０３８５】
図６９Ｂは、導波路素子１０の配列間隔が一定でない導波路アレイの構成例を示している。このような構成を採用する場合であっても、各位相シフタによる位相シフト量を適切に設定することにより、２次元スキャンを行うことができる。図６９Ｂの構成においても、導波路アレイの配列方向ｄ１と、各導波路素子１０の延びる方向ｄ２とが直交していなくてもよい。
【０３８６】
＜基板上に第１および第２の導波路が配置された実施形態＞
次に、基板上に第１および第２の導波路が配置された光スキャンデバイスの実施形態を説明する。
【０３８７】
本実施形態における光スキャンデバイスは、第１の導波路と、第１の導波路に繋がる第２の導波路と、第１および第２の導波路を支持する基板とを備える。より具体的には、光スキャンデバイスは、第１の方向に配列された複数の導波路ユニットと、これらの複数の導波路ユニットを支持する基板とを備える。複数の導波路ユニットの各々は、第１の導波路と、第２の導波路とを備える。第２の導波路は、第１の導波路に繋がり、第１の方向に交差する第２の方向に光を伝搬させる。基板は、各導波路ユニットにおける第１の導波路および第２の導波路を支持する。
【０３８８】
第２の導波路は、前述の実施形態における反射型導波路に相当する。すなわち、第２の導波路は、多層反射膜を有する第１のミラーと、第１のミラーの前記多層反射膜に対向する多層反射膜を有する第２のミラーと、第１のミラーと第２のミラーの間に位置し、前記第１の導波路に入力され第１の導波路を伝搬した光を伝搬させる光導波層と、を有する。第１のミラーは、第２のミラーよりも高い光透過率を有し、光導波層内を伝搬する光の一部を、光導波層の外部に出射する。光スキャンデバイスは、第２の導波路における光導波層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、第２の導波路から出射される光の方向を変化させる調整素子をさらに備える。
【０３８９】
本実施形態によれば、１つの基板の上に第１および第２の導波路を配置することにより、第１の導波路１および第２の導波路１０の位置合わせが容易になる。さらに、熱膨張による第１および第２の導波路の位置のずれが抑制される。その結果、第１の導波路から第２の導波路へ効率よく光を導入することができる。
【０３９０】
光導波層は、例えば電圧が印加された場合に、光導波層を伝搬する光に対する屈折率が変化する材料を含み得る。その場合、調整素子は、光導波層に電圧を印加することにより、光導波層の屈折率を変化させる。これにより、調整素子は、第２の導波路から出射される光の方向を変化させる。
【０３９１】
第１の導波路の少なくとも一部は、前述の位相シフタとしての機能を有していてもよい。その場合、第１の導波路には、例えば屈折率を変調させる機構が組み込まれる。光スキャンデバイスは、第１の導波路の少なくとも一部の領域の屈折率を変調させる第２調整素子を備えていてもよい。第２調整素子は、例えば、第１の導波路の近傍に配置されたヒーターであり得る。ヒーターから発する熱によって第１の導波路の少なくとも一部の領域の屈折率を変化させることができる。これにより、第１の導波路から第２の導波路に入力される光の位相が調整される。第１の導波路から第２の導波路に入力される光の位相を調整するための構成は、前述のとおり多様である。それらのいずれの構成を採用してもよい。
【０３９２】
位相シフタは、第１の導波路の外部に設けられていてもよい。その場合、第１の導波路は、外部の位相シフタと、導波路素子（第２の導波路）との間に位置する。位相シフタと、第１の導波路との間には明確な境界がなくてもよい。例えば、位相シフタと、第１の導波路とが、導波路および基板等の構成要素を共用していてもよい。
【０３９３】
第１の導波路は、光の全反射を利用する一般的な導波路であってもよいし、反射型導波路であってもよい。位相が変調された光は、第１の導波路を経て、第２の導波路に導入される。
【０３９４】
以下、基板上に第１および第２の導波路が配置された光スキャンデバイスの実施形態をより詳細に説明する。以下の説明においては、光スキャンデバイスが複数の導波路ユニットを備えているものとする。光スキャンデバイスは、単一の導波路ユニットを備えていてもよい。すなわち、第１の導波路および第２の導波路の組み合わせを１つだけ備える光スキャンデバイスも、本開示の範囲に含まれる。
【０３９５】
図７０Ａは、本実施形態における光スキャンデバイスを模式的に示す図である。この光スキャンデバイスは、Ｙ方向に配列された複数の導波路ユニットと、複数の導波路ユニットを支持する基板５０とを備えている。各導波路ユニットは、第１の導波路１と、第２の導波路１０とを備えている。基板５０は、各導波路ユニットにおける第１の導波路１および第２の導波路１０を支持している。
【０３９６】
基板５０は、ＸＹ平面に沿って拡がっている。基板５０の上面および下面は、ＸＹ平面に略平行に配置されている。基板５０は、例えば、ガラス、Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＧａＡｓ、ＧａＮなどの材料を用いて構成され得る。
【０３９７】
第１の導波路アレイ１Ａは、Ｙ方向に配列された複数の第１の導波路１を含む。第１の導波路１の各々は、Ｘ方向に延びた構造を有する。第２の導波路アレイ１０Ａは、Ｙ方向に配列された複数の第２の導波路１０を含む。第２の導波路１０の各々は、Ｘ方向に延びた構造を有する。
【０３９８】
図７０Ｂは、図７０Ａにおける一方の破線で示されたＸＺ平面における光スキャンデバイスの断面図である。基板５０の上に、第１の導波路１および第２の導波路１０が配置されている。第２のミラー４０は、光導波層２０と基板５０との間、および第１の導波路１と基板５０との間の領域に拡がっている。第１の導波路１は、例えば、光の全反射を利用する一般的な導波路である。当該導波路１は、例えば、ＳｉまたはＧａＡｓなどの半導体の導波路を含む。第２の導波路１０は、光導波層２０と、第１および第２のミラー３０および４０とを有する。光導波層２０は、対向する第１のミラー３０と第２のミラー４０の間に位置する。光導波層２０は、第１の導波路に入力され第１の導波路１を伝搬した光を伝搬させる。
【０３９９】
本実施形態における光導波層２０は、電圧が印加された場合に、光導波層２０を伝搬する光に対する屈折率が変化する材料を含んでいる。調整素子は、一対の電極を有する。一対の電極は、下部電極６２ａと上部電極６２ｂとを含む。下部電極６２ａは、光導波層２０と第２のミラー４０との間に配置されている。上部電極６２ｂは、光導波層２０と第１のミラー３０との間に配置されている。本実施形態における調整素子は、一対の電極６２ａ、６２ｂ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。これにより、調整素子は、第２の導波路１０から出射される光の方向を変化させる。一対の電極６２ａ、６２ｂの各々は、図示されるように光導波層２０に接触していてもよいし、接触していなくてもよい。
【０４００】
図７０Ｂの構成例では、積層された基板５０および第２のミラー４０を有する共通の支持体の上に、他の構造物が配置される。すなわち、一体に形成された一つの支持体の上に、第１の導波路１と、第１の電極６２ａ、光導波層２０、第２の電極６２ｂ、および第１のミラー３０の積層体とが作製される。共通の支持体を用いているため、第１の導波路１および光導波層２０の作製時の位置合わせが容易になる。さらに、熱膨張による第１の導波路１および光導波層２０の接続部分の位置のずれが抑制される。支持体は、例えば、支持基板である。
【０４０１】
図７０Ｃは、図７０Ａにおける他方の破線で示されたＹＺ平面における光スキャンデバイスの断面図である。この例では、第２のミラー４０は、複数の第２の導波路１０によって共用されている。すなわち、複数の第２の導波路１０における第２のミラー４０は互いに分離されていない。同様に、下部電極６２ａも、複数の第２の導波路１０によって共用されている。これにより、製造プロセスが簡素化される。
【０４０２】
一方、複数の第２の導波路１０における光導波層２０、上部電極６２ｂ、および第１のミラー３０は、互いに分離して配置されている。これにより、各光導波層２０は、光をＸ方向に伝搬させることができる。上部電極６２ｂおよび第１のミラー３０は、分離していなくてもよい。
【０４０３】
以下に、本実施形態における光スキャンデバイスの変形例を説明する。以下の変形例において、重複する構成要素の説明は、省略されている。
【０４０４】
図７１Ａは、第２のミラー４０と導波路１との間に誘電体層５１が配置された構成例を示す図である。この例における光スキャンデバイスは、第２のミラー４０と第１の導波路１との間に拡がる誘電体層５１をさらに備えている。この誘電体層５１は、第１の導波路１と光導波層２０との高さのレベルを合わせる調整層として機能する。以下、誘電体層５１を調整層５１と称する。Ｚ方向における調整層５１の厚さを調整することにより、第１の導波路１から光導波層２０への光の結合効率を高めることができる。さらに、調整層５１は、第１の導波路１における導波光が第２のミラー４０によって吸収、散乱または反射されることを防ぐスペーサの役割を果たす。第１の導波路１は、全反射により光を伝搬させる。そのため、調整層５１は、第１の導波路１の屈折率よりも低い屈折率を有する透明材料によって構成される。例えば、調整層５１は、ＳｉＯ２などの誘電体材料で形成され得る。
【０４０５】
第１の導波路１の上に、他の誘電体層を保護層としてさらに配置してもよい。
【０４０６】
図７１Ｂは、第１の導波路１の上に第２の誘電体層６１がさらに配置された構成例を示す図である。このように、光スキャンデバイスは、第１の導波路１の少なくとも一部を覆う第２の誘電体層６１をさらに備えていてもよい。第２の誘電体層６１は、第１の導波路１に接し、第１の導波路１の屈折率よりも低い屈折率を有する透明材料によって構成されている。第２の誘電体層６１は、第１の導波路１の上にパーティクルまたはごみが付着することを防ぐ保護層として機能する。これにより、第１の導波路１における導波光のロスを抑制することができる。以下、第２の誘電体層６１を保護層６１と称する。
【０４０７】
図７１Ｂに示す第１の導波路１は、位相シフタとして機能する。光スキャンデバイスは、第１の導波路１の屈折率を変調させることによって光導波層２０に導入される光の位相を変化させる第２調整素子をさらに備える。第１の導波路１が熱光学材料を含む場合、第２調整素子は、ヒーター６８を含む。第２調整素子は、ヒーター６８から発する熱によって第１の導波路１の屈折率を変調させる。
【０４０８】
ヒーター６８に含まれる金属などの配線材料は、光を吸収、散乱または反射し得る。保護層６１は、第１の導波路１とヒーター６８とを遠ざけることによって、第１の導波路１における導波光のロスを抑制する。
【０４０９】
保護層６１は、調整層５１と同じ材料（例えばＳｉＯ２）で形成されてもよい。保護層６１は、第１の導波路１だけでなく、第２の導波路１０の少なくとも一部を覆っていてもよい。その場合、第１のミラー３０の少なくとも一部が保護層６１で覆われる。保護層６１は、第２の導波路１０のみを覆っていてもよい。保護層６１が透明材料であれば、第２の導波路１０から出射される光は、保護層６１を透過する。このため、光の損失を小さく抑えることができる。
【０４１０】
図７２は、第２のミラー４０が第１の導波路１と基板５０との間の領域に配置されていない構成例を示す図である。この例における調整層５１は、第１の導波路１と基板５０との間に拡がっている。調整層５１は、第１の導波路１および基板５０に接している。第２のミラー４０が第１の導波路１の下にないため、第１の導波路１における導波光は、第２のミラー４０の影響を受けない。
【０４１１】
図７３は、図７１Ｂの構成例と比較して、第２のミラー４０が第１の導波路１と基板５０との間において薄くなっている構成例を示す図である。この例のように、第２のミラー４０は、第１の導波路１と基板５０との間において、第２の導波路１０と基板５０との間における第２のミラー４０の厚さよりも薄い箇所を有していてもよい。第１の導波路１と第２のミラー４０との間には、調整層５１が配置されている。このような構造により、第１の導波路１における導波光は、第２のミラー４０の影響を受けにくくなる。図７３の例では、図７２の例と比較して、第１の導波路１と光導波層２０との接続箇所において第２のミラー４０によって生じる段差が小さい。したがって、加工がより容易である。
【０４１２】
第２のミラー４０の厚さは、導波路１に沿って変化していてもよい。以下、そのような例を説明する。
【０４１３】
図７４Ａは、第２のミラー４０の厚さが段階的に変化する構成例を示す図である。第１の導波路１と基板５０との間において、第２のミラー４０の厚さは、第１の導波路１に沿って変化している。
【０４１４】
図７４Ａの例では、第１の導波路１の左の部分の下には、第２のミラー４０が存在しない。第１の導波路１の左の部分は、光導波層２０よりも低い位置にある。一方、第１の導波路１の右の部分、すなわち光導波層２０に接続される部分の下には、第２のミラー４０が存在する。第１の導波路１の右の部分は、光導波層２０と同程度の高さに位置する。保護層６１の厚さを調整することにより、保護層６１の上面を平らにすることができる。
【０４１５】
図７４Ａの構成例では、保護層６１の上に配置されたヒーター６８は、第１の導波路１から十分に離れている。したがって、第１の導波路１における導波光は、ヒーター６８の配線による影響を受けにくい。このため、第１の導波路１における導波光のロスは抑制される。
【０４１６】
図７４Ｂは、上部電極６２ｂ、第１のミラー３０、および第２の基板５０Ｃが、第１の導波路１における保護層６１と、第２の導波路１０における光導波層２０との上に跨って配置されている構成例を示す図である。図７４Ｃは、図７４Ｂの構成例の製造過程の一部を示す図である。
【０４１７】
図７４Ｂの例において、上部電極６２ｂ、第１のミラー３０、および第２の基板５０Ｃを含む構造体（以下、「上部構造体」と称する。）と、上部電極６２ｂよりも下の構造体（以下、「下部構造体」と称する。）とは、別々に製造される。
【０４１８】
下部構造体の製造については、まず、第１の基板５０の上に、傾斜を有する第２のミラー４０が形成される。第２のミラー４０における傾斜を含む部分に、調整層５１、導波路１の層、および保護層６１がこの順に形成される。第２のミラー４０における平らな部分に、下部電極６２ａおよび光導波層２０が形成される。
【０４１９】
上部構造体は、第２の基板５０Ｃの上に、第１のミラー３０および上部電極６２ｂをこの順で積層することによって作製される。上部構造体は、図７４Ｃに示すように、上下を反転させ、下部構造体の上に貼り付けられる。以上の製造方法によれば、第１の導波路１および第２の導波路１０の精密な位置合わせを不要にできる。
【０４２０】
保護層６１の上面、すなわち、第１の導波路１に接する表面とは反対側の表面は、第２の導波路１０における光導波層２０の上面よりも低い。第１の導波路１におけるヒーター６８の上面は、第２の導波路１０における光導波層２０の上面と、ほぼ同じ高さである。この場合、上部構造体と下部構造体とを、段差なく貼り合わせることができる。上部構造体は、蒸着またはスパッタリングなどの方法によって形成してもよい。
【０４２１】
図７５は、図７４Ｂに示す構造を有する光スキャンデバイスにおける複数の第２の導波路１０のＹＺ面断面を示す図である。この例では、第１のミラー３０、第２のミラー４０、および電極６２ａ、６２ｂは、複数の第２の導波路１０によって共用されている。共通の電極６２ａ、６２ｂの間に、複数の光導波層２０が配置されている。複数の光導波層２０の間の領域は、スペーサ７３である。スペーサ７３は、例えば、空気（または、真空）、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＮまたはＡｌＮなどの透明材料である。スペーサ７３が固体材料であれば、上部構造体を蒸着またはスパッタリングなどの方法によって形成することができる。スペーサ７３は、隣接する光導波層２０の両方に直接接触していてもよい。
【０４２２】
第１の導波路１は、光の全反射を利用する一般的な導波路である必要はない。例えば、第１の導波路１は、第２の導波路１０と同様の反射型導波路であってもよい。
【０４２３】
図７６は、第１の導波路１および第２の導波路１０が、反射型導波路である構成例を示す図である。第１の導波路１は、対向する２つの多層反射膜３、４０に挟まれている。第１の導波路１は、第２の導波路１０と同じ原理で、光を伝搬させる。多層反射膜３の厚さが十分に大きければ、第１の導波路１から光は出射しない。
【０４２４】
図７６の構成例では、図２５および図２６などを参照して説明したように、２つの反射型導波路の接続条件を最適化することで、光の結合効率を高くすることができる。そのような最適化により、第１の導波路１から第２の導波路１０へ効率よく光を導入することができる。
【０４２５】
次に、一対の電極６２ａ、６２ｂの配置の変形例を説明する。図７０Ａ〜図７６の例では、一対の電極６２ａ、６２ｂは、第２の導波路１０における光導波層２０に接触している。図７０Ｃおよび図７５の例では、電極６２ａ、６２ｂの一方または両方が、複数の第２の導波路１０によって共用されている。電極６２ａ、６２ｂの構成は、このような構成に限定されない。
【０４２６】
図７７は、上部電極６２ｂが第１のミラー３０の上に配置されており、下部電極６２ａが第２のミラー４０の下に配置されている構成例を示す図である。第１のミラー３０は、上部電極６２ｂと光導波層２０との間に配置されている。第２のミラー４０は、下部電極６２ａと光導波層２０との間に配置されている。この例のように、一対の電極６２ａ、６２ｂは、光導波層２０を、第１および第２のミラー３０および４０を介して、間接的に挟んでいてもよい。
【０４２７】
図７７の例において、下部電極６２ａは、第１の導波路１の側にまで延びている。下部電極６２ａから配線を取り出すときに、第１の導波路１０の下のスペースを用いることができる。よって配線の設計の自由度が増す。
【０４２８】
この例では、一対の電極６２ａ、６２ｂは、光導波層２０に接触していない。光導波層２０における導波光は、一対の電極６２ａ、６２ｂによる吸収、散乱または反射などの影響を受けにくい。このため、光導波層２０における導波光のロスが抑制される。
【０４２９】
図７８は、さらに他の変形例を示す断面図である。この例では、第１の導波路１は、第１の部分１ａと第２の部分１ｂとに分離されている。第１の部分１ａは、相対的に低い位置にあり、第２の導波路１０から離れている。第２の部分１ｂは、相対的に高い位置にあり、第２の導波路１０の光導波層２０に繋がっている。第１の部分１ａおよび第２の部分１ｂは、＋Ｚ方向から見たときに重なる部分を有する。第１の部分１ａおよび第２の部分１ｂは、Ｘ方向に略平行に延びている。この例では、調整層５１も、２つの部分５１ａ、５１ｂに分離されている。調整層の第１の部分５１ａは、第１の導波路の第１の部分１ａと下部電極６２ａとの間に配置されている。調整層の第２の部分５１ｂは、第１の導波路の第２の部分１ｂと第２のミラー４０との間に配置されている。保護層６１は、第１の導波路の第１の部分１ａおよび第２の部分１ｂの上に配置されている。第１の導波路の第１の部分１ａの一部と、第１の導波路の第２の部分１ｂの一部とが、保護層６１を介して対向している。電極６２ａ、６２ｂの配置は、図７７における配置と同様である。
【０４３０】
図７８に示す構成では、第１の導波路の第１の部分１ａおよび第２の部分１ｂの間隔、すなわちＺ方向における距離は、導波路内での光の波長以下である。この場合、エバネッセント結合により、第１の部分１ａから第２の部分１ｂへ光を伝搬させることができる。この例では、図７４Ａの例とは異なり、第２のミラー４０の厚さを第１の導波路１ａ、１ｂに沿って変化させる必要はない。
【０４３１】
図７９は、電極６２が、隣り合う２つの光導波層２０の間に配置されている構成例を示す図である。この例における調整素子は、複数の電極６２を有し、これらの電極６２に正負（図中では＋および−で表示）の電圧を交互に印加する。これにより、各光導波層２０の内部に、図７９における左右方向の電場を発生させることができる。
【０４３２】
図７９の例では、Ｙ方向において隣り合う２つの電極６２は、その間の光導波層２０の少なくとも一部に接触している。光導波層２０と電極６２との接触領域の面積は小さい。したがって、電極６２が光を吸収、散乱または反射する材料であっても、光導波層２０における導波光のロスを抑制することができる。
【０４３３】
図７０Ａから図７９の構成例では、スキャンに用いられる光は、第１のミラー３０を通して出射される。スキャンに用いられる光は、第２のミラー４０を通して出射されてもよい。
【０４３４】
図８０は、第１のミラー３０が厚く、第２のミラー４０が薄い構成の例を示す図である。図８０の例では、光は第２のミラー４０を透過して基板５０の側から出射される。この例における基板５０は、透光性を有する材料によって構成される。基板５０から出射される光をスキャンに用いることにより、光スキャンデバイスの設計の自由度が増す。
【０４３５】
＜ミラーの幅に関する検討＞
図８１は、本実施形態おける、複数の導波路素子１０をＹ方向に配列した導波路アレイ１０Ａの構成例を模式的に示す、ＹＺ平面における光スキャンデバイスの断面図である。図８１の構成例では、Ｙ方向において、第１のミラー３０の幅は、光導波層２０の幅よりも長い。第２のミラー４０は、複数の導波路素子１０によって共用されている。言い換えれば、各導波路素子１０における第２のミラー４０は、１つの繋がったミラーの一部である。第１のミラー３０、光導波層２０の端面からＹ方向に突出する部分を有する。Ｙ方向における当該突出する部分の寸法を、ｙ１とする。Ｙ方向における、光導波層２０の端面からの距離を、ｙとする。ｙ＝０は、光導波層２０の端面に相当する。
【０４３６】
導波光が光導波層２０内をＸ方向に伝搬するとき、Ｙ方向において、光導波層２０からエバネッセント光が染み出す。Ｙ方向における当該エバネッセント光の光強度Ｉは、以下の式で表される。
【数１９】
2019174538.tif 000022
【０４３７】
ただし、光導波層２０からのエバネッセント光の光強度が、光導波層２０の端面における光導波層２０からのエバネッセント光の光強度の１／ｅになる位置の、光導波層２０の端面からのＹ方向における距離を、ｙｄとするとき、ｙｄは以下の式を満たす。
【数２０】
2019174538.tif 000023
【０４３８】
Ｉ０は、ｙ＝０における、当該エバネッセント光の光強度である。全反射角θｉｎは、図３３に示されている。ｙ＝ｙｄにおいて、当該エバネッセント光の光強度Ｉは、Ｉ０の１／ｅになる。ｅは、自然対数の底である。
【０４３９】
簡単のため、図３３に示すように、光導波層２０内における導波光を、光線として近似する。図８１の構成例に示すように、第１のミラー３０がｙ＞ｙ１において存在しない場合、ｙ＝０における導波光の１回の反射による光の漏れまたは光ロス（Ｌｌｏｓｓ）は、以下の式で表される。
【数２１】
2019174538.tif 000024
【０４４０】
式（４）に示すように、導波路素子１０からの出射光の広がり角θｄｉｖを、０．１°以下にするためには、導波路素子１０のＸ方向における伝搬長Ｌは、１ｍｍ以上であることが望ましい。このとき、Ｙ方向における光導波層２０の幅をａとすると、図３３において、±Ｙ方向における全反射の回数は、１０００／（ａ・ｔａｎθｉｎ）以上である。ａ＝１μｍおよびθｉｎ＝４５°においては、全反射の回数は１０００回以上である。１回の反射における光ロスを表す式（２１）を用いると、β回の反射における光ロスは、以下の式で表される。
【数２２】
2019174538.tif 000025
【０４４１】
図８２は、β＝１０００の場合における、光ロス（Ｌ（β）ｌｏｓｓ）の割合およびｙ１の関係を示す図である。縦軸は、光ロスの割合であり、横軸はｙ１である。図８２に示すように、光ロスの割合を５０％以下にするために、例えば、ｙ１≧７ｙｄが満たされる。同様に、光ロスの割合を１０％以下にするため、例えば、ｙ１≧９ｙｄが満たされる。光ロスの割合を１％以下にするために、例えば、ｙ１≧１１ｙｄが満たされる。
【０４４２】
式（２１）に示すように、原理的には、ｙ１を大きくすることで、光ロスを低減することができる。しかし、光ロスは、ゼロではない。
【０４４３】
図８３は、本実施形態おける、導波路素子１０をＹ方向に配列した導波路アレイ１０Ａの別の構成例を模式的に示す、ＹＺ平面における光スキャンデバイスの断面図である。図８３の構成例では、第１および第２のミラー３０および４０は、複数の導波路素子１０によって共用されている。言い換えれば、各導波路素子１０における第１のミラー３０は、１つの繋がったミラーの一部であり、各導波路素子１０における第２のミラー４０は、１つの繋がった他のミラーの一部である。これにより、原理的に光ロスを最小化することができる。
【０４４４】
次に、図３２Ｂおよび図８３の構成例における光導波層２０からのエバネッセント光の漏れ出しを、数値計算を用いて比較する。
【０４４５】
図８４Ａは、図３２Ｂの構成例における、電場強度分布の計算結果を示す図である。図８４Ｂは、図８３の構成例における、電場強度分布の計算結果を示す図である。数値計算には、Ｓｙｎｏｐｓｙｓ社のＦｅｍＳｉｍを用いた。図８４Ａおよび図８４Ｂにおいて、Ｙ方向における光導波層２０の幅は、１．５μｍであり、Ｚ方向における光導波層２０の厚さは、１μｍであり、光の波長は、１．５５μｍであり、ｎｗ＝１．６８およびｎｌｏｗ＝１．４４である。ｎｗおよびｎｌｏｗのこの組み合わせは、例えば、光導波層２０に含まれる液晶材料を、ＳｉＯ２のスペーサ７３によって閉じ込める場合に相当する。
【０４４６】
図８４Ａに示すように、図３２Ｂの構成例では、第１のミラー３０が存在しない領域から、エバネッセント光が漏れ出ることがわかる。一方、図８４Ｂに示すように、図８３の構成例では、そのようなエバネッセント光の漏れ出しは無視することができる。図８４Ａおよび図８４Ｂにおいて、導波光がＸ方向に伝搬する際、第１のミラー３０からの光出射およびエバネッセント光の漏れ出しにより、導波光の光強度は減少する。当該導波光の光強度が１／ｅになる、Ｘ方向における光の伝搬長を計算すると、当該光の伝搬長は、図８４Ａおよび図８４Ｂにおいて、それぞれ７．８μｍおよび１３２μｍである。
【０４４７】
本実施形態において、スペーサ７３は、２つ以上の異なる媒質で構成されてもよい。
【０４４８】
図８５は、本実施形態において、スペーサ７３が、異なる屈折率を有するスペーサ７３ａ、７３ｂを含む構成例を模式的に示す、ＹＺ平面における光スキャンデバイスの断面図である。図８５の構成例において、光導波層２０に隣接するスペーサ７３ａの屈折率ｎｌｏｗ１は、光導波層２０に隣接しないスペーサ７３ｂの屈折率ｎｌｏｗ２よりも高い（ｎｌｏｗ１＞ｎｌｏｗ２）。例えば、光導波層２０が液晶材料を含む場合、液晶材料を閉じ込めるために、スペーサ７３ａとして、ＳｉＯ２を用いてもよい。スペーサ７３ｂは、空気であってもよい。スペーサ７３ｂの屈折率ｎｌｏｗ２が低ければ、光導波層２０からのエバネッセント光の染み出しを抑制することができる。
【０４４９】
図８６は、本実施形態の変形例における、導波路素子１０の構成例を模式的に示す、ＹＺ平面における光スキャンデバイスの断面図である。図８６の構成例では、光導波層２０は、ＹＺ平面において台形の断面を有する。第１のミラー３０は、光導波層２０の、上辺の上だけでなく、左右の辺の上にも配置される。これにより、光導波層２０の左右の辺からの光の漏れを抑制することができる。
【０４５０】
次に、光導波層２０およびスペーサ７３の材料を説明する。
【０４５１】
図８１、図８３および図８５の構成例において、光導波層２０の屈折率ｎｗとスペーサ７３の屈折率ｎｌｏｗとは、ｎｗ＞ｎｌｏｗの関係を満たす。すなわち、スペーサ７３は、光導波層２０よりも屈折率が低い材料を含む。例えば、光導波層２０が電気光学材料を含む場合、スペーサ７３は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＮ、ＡｌＮまたは空気などの透明材料を含んでもよい。光導波層２０が液晶材料を含む場合、スペーサ７３は、ＳｉＯ２または空気などを含んでもよい。光導波層２０を一対の電極で挟み、電圧を印加することにより、電気光学材料または液晶材料を含む光導波層２０の屈折率を変化させることができる。これにより、第１のミラー３０から出射される光の出射角度を変化させることができる。光導波層２０が液晶材料または電気光学材料を含む場合における、光スキャンデバイスの詳細な駆動方法などは、前述の通りである。
【０４５２】
図８３および図８５の構成例を、第１のミラー３０と、それ以外の構成とを貼り合わせることによって形成してもよい。これにより、製造が容易になる。また、スペーサ７３が固体材料であれば、第１のミラー３０を蒸着またはスパッタリングなどの方法によって形成してもよい。
【０４５３】
図８１、図８３および図８５の構成例において、第２のミラー４０が複数の導波路素子１０によって共用されていることを前提に、第１のミラー３０の構成を説明した。当然、上記の議論は、第２のミラー４０にも適用できる。すなわち、Ｙ方向において、第１および第２のミラー３０および４０の少なくとも一方の幅が、光導波層２０の幅よりも長ければ、光導波層２０からのエバネッセント光の漏れ出しを抑制することができる。その結果、光スキャンに用いられる光量の低下は抑制される。
【０４５４】
＜光導波層およびスペーサに関する検討＞
次に、第１のミラー３０と第２のミラー４０の間における、光導波層２０（以下、「光導波領域２０」とも称する。）およびスペーサ７３（以下、「非導波領域７３」とも称する。）の構成が導波モードに与える影響を詳しく説明する。以下の説明において、「幅」とはＹ方向の寸法を意味し、「厚さ」とはＺ方向の寸法を意味する。
【０４５５】
図８３に示す構成例を導波モードの計算モデルとする。計算に用いたパラメータは以下の通りである。第１のミラー３０は、屈折率が２．１の材料と、屈折率が１．４５の材料とを交互に１２ペア積層した多層反射膜であり、第２のミラー４０は、同じ２つの材料を１７ペア積層した多層反射膜である。光導波領域２０の厚さはｈ＝０．６５μｍであり、光導波領域２０の屈折率は１．６である。非導波領域７３の厚さはｈ＝０．６５μｍであり、非導波領域７３の屈折率は１．４５である。光の波長はλ＝９４０ｎｍである。
【０４５６】
非導波領域７３の幅を光導波領域２０の幅よりも十分大きくし、光導波領域２０の幅を変えたときの導波モードの電界分布を計算した。これにより、図８４Ａおよび図８４Ｂに示すようなＹ方向およびＺ方向に依存する電界分布が得られる。Ｙ方向およびＺ方向に依存する電界分布をＺ方向に積分することによって、Ｙ方向における電界分布が得られる。Ｙ方向における電界分布の分散σを計算するために、ガウス関数を用いたフィッティングを行った。ガウス関数では、−３σ≦Ｙ≦３σの範囲に９９．７３％の成分が存在する。そこで、６σがＹ方向における電界分布の広がりに相当するとして、分析を行った。以下、「電界の広がり」とは、Ｙ方向における６σの電界の広がりを意味する。
【０４５７】
図８７は、光導波領域２０の幅と電界の広がりとの関係を示す図である。図８７に示すように、光導波領域２０の幅がｗ＝３μｍ以上では、導波モードの電界の広がりは光導波領域２０の幅より小さい。光導波領域２０の幅がｗ＝３μｍ以下では、導波モードの電界の広がりは光導波領域２０の幅より大きく、非導波領域７３に染み出す。
【０４５８】
次に、非導波領域７３が複数の部材を含む構成例を説明する。
【０４５９】
図８８は、本実施形態における、光導波領域２０および非導波領域７３の構成例を模式的に示す光スキャンデバイスの断面図である。
【０４６０】
本実施形態における光スキャンデバイスは、第１のミラー３０と、第２のミラー４０と、２つの非導波領域７３と、光導波領域２０とを備える。
【０４６１】
第１のミラー３０は、光透過性を有し、第２のミラー４０は、第１のミラー３０に対向する。
【０４６２】
２つの非導波領域７３は、第１のミラー３０と第２のミラー４０との間において、Ｙ方向に間隙を空けて並ぶ。Ｙ方向は、第１のミラー３０および第２のミラー４０の少なくとも一方の反射面に平行である。
【０４６３】
光導波領域２０は、第１のミラー３０と第２のミラー４０との間で、且つ、２つの非導波領域７３の間に位置する。光導波領域２０は、非導波領域７３の平均屈折率よりも高い平均屈折率を有する。光導波領域２０は、Ｘ方向に沿って光を伝搬させる。Ｘ方向は、第１のミラー３０および第２のミラー４０の少なくとも一方の反射面に平行で、且つ、Ｙ方向に垂直である。
【０４６４】
光導波領域２０および２つの非導波領域７３の各々は、共通の材料４５によって構成される領域を含む。光導波領域２０または２つの非導波領域７３の各々は、共通の材料４５とは異なる屈折率を有する少なくとも１つの部材４６をさらに含む。図示されるように、当該少なくとも１つの部材４６は、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接していてもよい。
【０４６５】
第１のミラー３０は、第２のミラー４０よりも高い光透過率を有する。第１のミラー３０は、光導波領域２０内を伝搬する光の一部を、光導波領域２０から、ＸＹ平面に交差す方向に出射する。ＸＹ平面は、Ｘ方向およびＹ方向によって形成される平面である。外部の調整素子は、光導波領域２０の屈折率および／または厚さを変化させる。これにより、光導波領域２０から出射される光の方向が変化する。より具体的には、調整素子により、出射される光の波数ベクトルのＸ成分が変化する。
【０４６６】
図８８に示す例では、光導波領域２０および２つの非導波領域７３の各々は、共通の材料４５を含み、２つの非導波領域７３の各々は、部材４６を含む。部材４６は第２のミラー４０に接する。部材４６の屈折率ｎ１が共通の材料４５の屈折率ｎ２よりも低いとき、光導波領域２０の平均屈折率は、非導波領域７３の平均屈折率よりも高い。これにより、光は、光導波領域２０を伝搬することができる。共通の材料４５および部材４６の各々は、例えば、ＳｉＯ、ＴａＯ、ＴｉＯ、ＡｌＯ、ＳｉＮ、ＡｌＮ、およびＺｎＯからなる群から選択される一種類の材料であり得る。Ｚ方向において、部材４６の寸法が、第１のミラー３０と第２のミラー４０の間の距離（以下、「ミラー間距離」と称する。）のｒ倍（０≦ｒ≦１）であるとき、非導波領域７３の平均屈折率は、ｎａｖｅ＝ｎ１×ｒ＋ｎ２×（１−ｒ）である。以下、「部材の寸法」とは、Ｚ方向における部材の寸法を意味する。
【０４６７】
図８８に示す例において、導波モードをさらに詳しく分析した。第１のミラー３０および第２のミラー４０の構成は、図８７に示す計算に用いた構成と同じである。計算に用いた屈折率は、ｎ１＝１．４５およびｎ２＝１．６である。光導波領域２０の幅はｗ＝６μｍである。光導波領域２０の幅は、２つの離れた非導波領域７３の距離でもある。光導波領域２０の厚さは、ｈ＝０．６５μｍまたは２．１５μｍである。０．６５μｍおよび２．１５μｍの厚さは、それぞれ式（９）における２次（ｍ＝２）および７次（ｍ＝７）のモードに対応する。非導波領域７３の厚さは、光導波領域２０の厚さと同じである。ミラー間距離に対する部材４６の寸法の比ｒによって導波モードの電界の広がりがどのように変化するか調べた結果を以下に示す。
【０４６８】
図８９Ａは、ｒ＝０．１およびｈ＝２．１５μｍでの導波モードの電界分布の計算結果を示す図である。図８９Ｂは、ｒ＝０．５およびｈ＝２．１５μｍでの導波モードの電界分布の計算結果を示す図である。いずれにおいても、図８４Ｂに示す導波モードと同様の導波モードが存在することが確認できる。図８９Ａに示すｒ＝０．１のときの方が、図８９Ｂに示すｒ＝０．５のときよりも、電界分布がＹ方向により広がることがわかる。
【０４６９】
図９０は、光導波領域２０の幅がｗ＝６．０μｍでの、ミラー間距離に対する部材４６の寸法の比ｒと電界の広がりとの関係を示す図である。光導波領域２０の厚さは、ｈ＝０．６５μｍ（ｍ＝２、図中の実線）またはｈ＝２．１５μｍ（ｍ＝７、図中の点線）である。図９０に示すように、ｒを小さくする、すなわち、部材４６の寸法を小さくするほど、電界の広がりが大きくなることがわかる。２次および７次の導波モードにおいて、電界の広がりはほとんど同じ振舞いを示す。特に、ｒ≦０．２では、電界の広がりが急激に大きくなり、光導波領域２０の幅（ｗ＝６．０μｍ）を超えることがわかる。
【０４７０】
図９１は、図９０に示す例における、ミラー間距離に対する部材４６の寸法の比ｒと導波モードの消衰係数との関係を示す図である。図９１に示すように、ｒを変化させても、消衰係数のオーダー（１０−５）はほとんど同じである。すなわち、消衰係数はｒにほとんど依存しない。しかし、電界が非導波領域７３まで広がると、様々な要因で散乱または吸収が増大し得る。例えば、非導波領域７３の端が平滑でないとき、非導波領域７３にパーティクルが存在するとき、または、非導波領域７３自体が光吸収するときには、光導波領域２０を伝搬する光に損失が生じる。したがって、電界の広がりが非導波領域７３に染み出さない条件であるｒ≧０．２が望ましい。
【０４７１】
次に、光導波領域２０の幅、すなわち、２つの離れた非導波領域７３の距離がｗ＝３μｍである構成例を分析した。これは、ｒ＝１である図８７に示すように、電界の広がりがちょうど光導波層２０の幅と同程度である条件である。
【０４７２】
図９２は、光導波領域２０の幅がｗ＝３．０μｍでの、ミラー間距離に対する部材４６の寸法の比ｒと電界の広がりとの関係を示す図である。図９０に示す例と同様に、ｒ≦０．２では、電界の広がりが急激に大きくなることがわかる。ｒ＜０．１では、電界の広がりは６μｍを超える。
【０４７３】
たとえ導波モードの電界が過度に広がっても、単体の光導波領域２０を用いて光スキャンデバイスを構成するときには問題ない。しかし、光導波領域２０をアレイ化した光スキャンデバイスでは、導波モードの電界の過度な広がりは避けた方がよい。当該光スキャンデバイスにおいて、２つの光導波領域２０に挟まれた非導波領域７３の幅が３μｍ以下の場合、光導波領域２０の導波モードの電界は、隣の光導波領域２０の導波モードの電界と非導波領域７３において重なり合う。その結果、光導波領域２０を伝搬する光の少なくとも一部が、隣の光導波領域２０に伝わるというクロストーク現象が生じ得る。クロストーク現象は、複数の光導波領域２０から出射される光の干渉効果に影響を及ぼすおそれがある。
【０４７４】
上記の理由から、本実施形態においては、例えばｒ≧０．１に設定される。さらに、ｒ≧０．２であれば、ほとんどの電界が光導波領域２０の内部に分布することができる。ｒ＜０．１であっても、非導波領域７３の幅が光導波領域２０の幅よりも大きければ、クロストーク現象を回避することができる。すなわち、他の実施形態における光スキャンデバイスにおいては、ｒ＜０．１にすることも可能である。
【０４７５】
本実施形態における光スキャンデバイスでは、共通の材料４５にコストの安い材料を用いることにより製造コストを下げることができる。
【０４７６】
＜変形例＞
図９３は、本実施形態の変形例における、光導波領域２０および非導波領域７３の構成を模式的に示す光スキャンデバイスの断面図である。図９３に示す例では、光導波領域２０および２つの非導波領域７３の各々は、共通の材料４５を含み、光導波領域２０は、部材４６を含む。部材４６は、第２のミラー４０に接する。部材４６の屈折率ｎ１が共通の材料４５の屈折率ｎ２よりも高いとき、光導波領域２０の平均屈折率は、非導波領域７３の平均屈折率よりも高い。これにより、光は光導波領域２０を伝搬することができる。この構成では、共通の材料４５および部材４６の各々は、例えば、ＳｉＯ、ＴａＯ、ＴｉＯ、ＡｌＯ、ＳｉＮ、ＡｌＮ、およびＺｎＯからなる群から選択される一種類の材料であり得る。共通の材料４５として空気などの気体または液体を用いてもよい。その場合には、厚さを容易に変化させることができる。つまり、図９３に示す構成は、厚さを変調する方式に有利である。
【０４７７】
図９４は、図９３に示す例における、ミラー間距離に対する部材４６の寸法の比ｒと電界の広がりとの関係を示す図である。計算に用いた屈折率はｎ１＝１．６およびｎ２＝１．４５である。光導波領域２０の幅はｗ＝３．０μｍであり、光導波領域２０の厚さはｈ＝０．６５μｍ（ｍ＝２）である。図９４からわかるように、本変形例においても、図９０および図９２に示す例と同様に、ｒ≦０．２において電界の広がりは急激に大きくなる。
【０４７８】
第１のミラー３０および第２のミラー４０の少なくとも一方の反射面に段差を設けることによっても、光導波領域２０または非導波領域７３を形成することができる。当該段差を設けることによって生じる凸部は、共通の材料４５とは異なる屈折率を有する部材４６に相当する。
【０４７９】
図９５Ａは、第２のミラー４０の反射面の一部に、他の部分から盛り上がった凸部が設けられた例を示す断面図である。この例では、凸部が、前述の例における部材４６に相当する。このため、以下の説明では、凸部を「部材４６」と称する。この例における凸部、すなわち部材４６は、第２のミラー４０と同一の材料から形成されている。部材４６は、第２のミラー４０の一部であるともいえる。図９５Ａに示す例では、共通の部材の屈折率ｎ２が、部材４６の平均屈折率よりも低い。この例では、Ｚ方向から見たときに、部材４６を含む領域が光導波領域２０に相当し、部材４６を含まない領域が非導波領域７３に相当する。
【０４８０】
図９５Ｂは、第２のミラー４０の反射面の一部に凸部が設けられた他の例を模式的に示す断面図である。図９５Ｂに示す例では、共通の部材の屈折率ｎ２が、凸部４６の平均屈折率よりも高い。この例では、Ｚ方向から見たときに、凸部、すなわち部材４６を含まない領域が光導波領域２０に相当し、部材４６を含む領域が非導波領域７３に相当する。
【０４８１】
図９５Ａおよび図９５Ｂに示すように、共通の材料４５の屈折率と部材４６の屈折率との大小関係により、光導波領域２０および非導波領域７３が決まる。
【０４８２】
図９６は、第１のミラー３０と第２のミラー４０との間において、第１のミラー３０側に２つの部材４６が離れて配置されている構成例を模式的に示す断面図である。図９７は、第１のミラー３０と第２のミラー４０との間において、第１のミラー３０および第２のミラー４０の両側の各々に２つの部材４６が離れて配置されている構成例を模式的に示す光スキャンデバイスの断面図である。図９６に示す例において、２つの部材４６は第１のミラー３０に接し、図９７に示す例において、上の２つの部材４６は第１のミラー３０に接し、下の２つの部材４６は第２のミラーに接する。部材４６の屈折率はｎ１であり、共通の材料４５の屈折率はｎ２である。ｎ１＜ｎ２では、Ｚ方向から見たときに、部材４６を含まない領域が光導波領域２０に相当し、部材４６を含む領域が非導波領域７３に相当する。ｎ１＞ｎ２では、Ｚ方向から見たときに、部材４６を含む領域が光導波領域２０に相当し、部材４６を含まない領域が非導波領域７３に相当する。
【０４８３】
図９８は、第１のミラー３０と第２のミラー４０の間において、第１のミラー３０側に２つの部材４６が離れて配置され、第２のミラー４０側に他の部材４７が配置されている構成例を模式的に示す断面図である。図９８に示す例において、２つの部材４６は第１のミラー３０に接し、他の部材４７は第２のミラー４０に接する。Ｚ方向から見たときに、部材４６と他の部材４７とは重なり合わない。共通の材料４５の屈折率はｎ２であり、部材４６の屈折率はｎ１であり、他の部材４７の屈折率はｎ３である。部材４６と他の部材４７において、屈折率および寸法の少なくとも１つは異なっていてもよい。
【０４８４】
Ｚ方向から見たときに、部材４６を含む領域の平均屈折率が他の部材４７を含む領域の平均屈折率よりも大きいとき、部材４６を含む領域が光導波領域２０に相当し、他の部材４７を含む領域が非導波領域７３に相当する。Ｚ方向から見たときに、部材４６を含む領域の平均屈折率が他の部材４７を含む領域の平均屈折率よりも小さいとき、他の部材４７を含む領域が光導波領域２０に相当し、部材４６を含む領域が非導波領域７３に相当する。
【０４８５】
例えば、部材４６の屈折率ｎ１が共通の材料４５の屈折率ｎ２よりも低く、他の部材４７の屈折率ｎ３が共通の材料４５の屈折率ｎ２よりも高い構成（ｎ１＜ｎ２＜ｎ３）を想定する。この構成では、Ｚ方向から見たときに、他の部材４７を含む領域が光導波領域２０に相当し、部材４６を含む領域が非導波領域７３に相当する。光導波領域２０が共通の材料４５の屈折率ｎ２よりも高い屈折率ｎ３を有する少なくとも１つの他の部材４７を含むことにより、光導波領域２０の平均屈折率と非導波領域７３の平均屈折率との差が大きくなる。これにより、光導波領域２０の導波モードの非導波領域７３への染み出しを抑制することができる。
【０４８６】
図９９は、第１のミラー３０と第２のミラー４０の間において、第２のミラー４０側に２つの部材４６が離れて配置されている例を模式的に示す光スキャンデバイスの断面図である。図９９に示す例では、光スキャンデバイスは、第１のミラー３０と第２のミラー４０との距離を固定する２つの支持部材７４をさらに備える。２つの支持部材７４は、２つの非導波領域の外側に位置する。
【０４８７】
図１００は、第１のミラー３０とおよび第２のミラー４０の間において、第１のミラー３０とおよび第２のミラー４０の両側の各々に部材４６が配置されている構成例を示す断面図である。Ｚ方向から見たときに、上下の２つの部材４６は重なり合う。共通の材料４５が空気であれば、Ｚ方向から見たときに、部材４６を含む領域が光導波領域２０に相当し、部材４６を含まない領域が非導波領域７３に相当する。
【０４８８】
光スキャンデバイスにおいて、調整素子は、第１のミラー３０とおよび第２のミラー４０の少なくとも一方に接続されたアクチュエータ７８を備えてもよい。アクチュエータ７８は、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、光導波領域２０の厚さを変化させることができる。
【０４８９】
アクチュエータ７８は、圧電部材を含み、圧電部材を変形させることにより、第１のミラー３０と第２のミラー４０との距離を変化させてもよい。これにより、光導波領域２０から出射される光の方向を変化させることができる。圧電部材の材料は、図４７から５３を参照して説明した通りである。
【０４９０】
また、図８８、９３、９５Ａ，９５Ｂおよび９６〜１００に示す共通の材料４５は液晶であり得る。その場合、調整素子は、光導波領域２０を間に挟む一対の電極を備え得る。調整素子は、当該一対の電極に電圧を印加する。これにより、光導波領域２０の屈折率が変化する。その結果、光導波領域２０から出射される光の方向が変化する。
【０４９１】
上記の光導波領域２０および２つの非導波領域７３をアレイ化して光スキャンデバイスを構成してもよい。当該光スキャンデバイスは、上記の光導波領域２０を含む複数の光導波領域と、上記の２つの非導波領域７３を含む複数の非導波領域とを備える。複数の光導波領域の各々の平均屈折率は、複数の非導波領域の各々の平均屈折率よりも高い。複数の光導波領域および複数の非導波領域は、第１のミラー３０と第２のミラー４０の間においてＹ方向に交互に並ぶ。
【０４９２】
当該光スキャンデバイスは、複数の光導波領域にそれぞれ接続された複数の位相シフタをさらに備えてもよい。複数の位相シフタのそれぞれは、複数の光導波領域の対応する１つにおける光導波領域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。
【０４９３】
各位相シフタにおける導波路は、電圧の印加または温度変化に応じて屈折率が変化する材料を含んでもよい。上記調整素子を、第１調整素子とする。第１調整素子と異なる第２調整素子は、各位相シフタにおける導波路に電圧を印加する、または導波路の温度を変化させる。これにより、導波路内の屈折率が変化し、複数の位相シフタから複数の光導波領域に伝搬する光の位相の差がそれぞれ変化する。その結果、複数の光導波領域から出射される光の方向が変化する。より具体的には、第２調整素子により、出射される光の波数ベクトルのＹ成分が変化する。
【０４９４】
＜応用例＞
図１０１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１０１の構成例において、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、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１０１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。
【０４９５】
図１０１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１０１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。
【０４９６】
図１０２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。
【０４９７】
図１０３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とを備えている。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。
【０４９８】
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。
【０４９９】
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。
【０５００】
＜光受信デバイスへの応用例＞
本開示の前述の各実施形態における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６０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６０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調整素子を備えている場合には、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。
【０５０１】
例えば図１０１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３６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、θおよびα０（式（１２）および式（１３））がわかる。このため、光の入射方向を特定することができる。
【０５０２】
上述した実施形態および変形例は、適宜、組み合わせることができる。例えば、図１５から図３１を参照して説明した光デバイスの構成は、他の何れの実施形態におけるアレイ構造と組み合わせてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０５０３】
本開示の実施形態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】
【０５０４】
１        第１の導波路
２        光導波層、導波路
３        多層反射膜
４        多層反射膜
５        グレーティング
６        レーザー光源
７        光ファイバー
１０      導波路素子（第２の導波路）
１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｍ      グレーティング
２０      光導波層
３０      第１のミラー
４０      第２のミラー
４２      低屈折率層
４４      高屈折率層
５０、５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ      基板
５１      第１の誘電体層（調整層）
５２      支持部材（補助基板）
６０      調整素子
６１      第２の誘電体層（保護層）
６２      電極
６４      配線
６６      電源
６８      ヒーター
７０      支持部材
７１      非圧電素子
７２      圧電素子
７３、７３ａ、７３ｂ      スペーサ
７４    支持部材
７５    液晶材料
７６    液晶分子
８０、８０ａ、８０ｂ    位相シフタ
９０、９０ａ、９０ｂ    光分岐器
９２      光スイッチ
１００    光スキャンデバイス
１０１、１０２    領域
１１０    導波路アレイの駆動回路
１１１    駆動電源
１１２    スイッチ
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】
2019174538.tif 000026
【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2019174538.tif 000030
【図５】
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【図６Ａ】
2019174538.tif 000032
【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
2019174538.tif 000036
【図８Ｃ】
2019174538.tif 000037
【図８Ｄ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
2019174538.tif 000041
【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
2019174538.tif 000044
【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
2019174538.tif 000046
【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
2019174538.tif 000049
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2019174538.tif 000052
【図１８Ａ】
2019174538.tif 000053
【図１８Ｂ】
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【図１９】
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【図２０】
2019174538.tif 000056
【図２１】
2019174538.tif 000057
【図２２Ａ】
2019174538.tif 000058
【図２２Ｂ】
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【図２２Ｃ】
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【図２３Ａ】
2019174538.tif 000061
【図２３Ｂ】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２４Ｃ】
2019174538.tif 000065
【図２４Ｄ】
2019174538.tif 000066
【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
2019174538.tif 000069
【図２８Ａ】
2019174538.tif 000070
【図２８Ｂ】
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【図２８Ｃ】
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【図２８Ｄ】
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【図２９Ａ】
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【図２９Ｂ】
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【図２９Ｃ】
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【図２９Ｄ】
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【図３０Ａ】
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【図３０Ｂ】
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【図３１】
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【図３２Ａ】
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【図３２Ｂ】
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【図３３】
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【図３４Ａ】
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【図３４Ｂ】
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【図３４Ｃ】
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【図３５Ａ】
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【図３５Ｂ】
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【図３６】
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【図３７Ａ】
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【図３７Ｂ】
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【図３７Ｃ】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２Ａ】
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【図４２Ｂ】
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【図４２Ｃ】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８Ａ】
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【図４８Ｂ】
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【図４９Ａ】
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【図４９Ｂ】
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【図５０】
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【図５１Ａ】
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【図５１Ｂ】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４Ａ】
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【図５４Ｂ】
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【図５５】
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【図５６Ａ】
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【図５６Ｂ】
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【図５７Ａ】
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【図５７Ｂ】
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【図５８Ａ】
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【図５８Ｂ】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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【図６３Ａ】
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【図６３Ｂ】
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【図６４】
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【図６５】
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【図６６】
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【図６７】
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【図６８】
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【図６９Ａ】
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【図６９Ｂ】
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【図７０Ａ】
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【図７０Ｂ】
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【図７０Ｃ】
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【図７１Ａ】
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【図７１Ｂ】
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【図７２】
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【図７３】
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【図７４Ａ】
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【図７４Ｂ】
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【図７４Ｃ】
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【図７５】
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【図７６】
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【図７７】
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【図７８】
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【図７９】
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【図８０】
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【図８１】
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【図８２】
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【図８３】
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【図８４Ａ】
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【図８４Ｂ】
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【図８５】
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【図８６】
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【図８７】
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【図８８】
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【図８９Ａ】
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【図８９Ｂ】
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【図９０】
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【図９１】
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【図９２】
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【図９３】
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【図９４】
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【図９５Ａ】
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【図９５Ｂ】
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【図９６】
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【図９７】
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【図９８】
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【図９９】
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【図１００】
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【図１０１】
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【図１０２】
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【図１０３】
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