(57)【要約】光偏向デバイス及びライダー装置において、一つの構成要素で構成し、形成が容易な構成によって強度分布（振幅分布）の調整を可能とする。光偏向デバイスは、フォトニック結晶の面内に、導波路に沿って２種類の異なる直径の円孔を繰り返す二重周期構造を備える。２種類の異なる直径の円孔を繰り返す二重周期構造とすることによって、スローライト伝搬光を放射条件に変換して空間に放射する。二重周期構造は、円孔の直径が導波路に沿って互いに相補的に増減する構成とし、この構成によって光放射ビームの強度分布（振幅分布）を調整する。二重周期構造の一方の周期構造が備える円孔の面積増加分と他方の周期構造が備える円孔の面積減少分を同量とし、フォトニックバンドの変化を抑制する。【選択図】図３
2018110284.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトニック結晶の面内に形成された２種類の異なる直径の円孔の周期構造からなる導波路を備えた光偏向デバイスであって、
前記周期構造は、前記円孔の直径が前記導波路に沿って互いに相補的に増減する二重周期構造であることを特徴とする光偏向デバイス。
【請求項２】
前記二重周期構造は、前記直径が増加する第１の周期構造と前記直径が減少する第２の周期構造とを備え、
基準の円孔の直径を２ｒ、相補的に増減する直径の増減幅を２Δｒ１、２Δｒ２としたとき、
第１の周期構造が備える円孔の直径２ｒ１は２（ｒ＋Δｒ１）であり、
第２の周期構造が備える円孔の直径２ｒ２は２（ｒ−Δｒ２）であることを特徴とする請求項１に記載の光偏向デバイス。
【請求項３】
前記増減幅Δｒ１及び増減幅Δｒ２は、同一の増減幅Δｒであることを特徴とする請求項２に記載の光偏向デバイス。
【請求項４】
前記第１の周期構造が備える円孔の面積増加分と前記第２の周期構造が備える円孔の面積減少分は同量であることを特徴とする請求項２に記載の光偏向デバイス。
【請求項５】
増減幅Δｒ１及び増減幅Δｒ２は、基準の径ｒに対して、
（ｒ＋Δｒ１）２−ｒ２＝ｒ２−（ｒ−Δｒ２）２
の関係を備えること特徴とする、請求項２に記載の光偏向デバイス。
【請求項６】
増減幅Δｒ１と増減幅Δｒ２の比率ｋ（＝Δｒ１／Δｒ２）は、基準の径ｒに対して、
ｋ２＋（２ｒ/Δｒ２）・ｋ＝（２ｒ/Δｒ２）−１
又は
（１＋２ｒ/Δｒ１）ｋ２−（２ｒ/Δｒ１）・ｋ＝−１
の関係を備えること特徴とする、請求項２に記載の光偏向デバイス。
【請求項７】
前記導波路の伝搬光の伝搬方向に対する伝搬光強度分布Ｐ、
前記導波路から面外に放射される放射光の伝搬方向に対する放射係数Ｂ、
及び
前記導波路から放射される光強度の伝搬方向に対する光放射分布Ｘは、
Ｂ＝Ｘ／Ｐ
の関係を備え、
前記導波路に沿って変化する径の増減幅Δｒは、前記放射係数Ｂと増減幅Δｒとの関係において前記放射係数Ｂに対応する値であることを特徴とする、請求項１から６の何れか一つに記載の光偏向デバイス。
【請求項８】
前記光放射分布Ｘはガウス分布であることを特徴とする、請求項７に記載の光偏向デバイス。
【請求項９】
請求項１から８の何れか一つに記載の光偏向デバイスと、
波長が異なる複数のレーザ光を発するレーザ光源と、
レーザ光を個別に検出する光検出部とを備え、
前記光偏向デバイスは、
前記レーザ光源が発する複数波長のレーザ光を、当該各レーザ光の波長及び導波路の屈折率で定まる各偏向角の方向に同時に並列して出射する出射器、
及び
外部から到達する複数波長のレーザ光の内、入射角が前記偏向角であるレーザ光を選択的に同時に並列して入射する入射器を同一素子または別素子で構成し、
前記光検出器は、
前記入射器において、前記出射器で出射されたレーザ光と同一の偏向角の入射角で入射した各波長のレーザ光を個別に検出することを特徴とするライダー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の進行方向を制御する光偏向デバイス、および光偏向デバイスを備えたライダー装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
周囲の物体までの距離を２次元画像として取得するレーザ計測を用いたレーザレーダーもしくはライダー装置（LiDAR（Light Detection and Ranging, Laser Imaging Detection and Ranging））の技術分野は、車の自動運転や３次元地図作製等に利用されており、その基盤技術はレーザプリンタやレーザディスプレイ等にも適用可能である。【０００３】
この技術分野では、光ビームを物体に当て、物体で反射して戻ってくる反射光を検出し、その時間差や周波数差から距離の情報を取得すると共に、光ビームを２次元的に走査することによって広角の３次元情報を取得する。【０００４】
光ビーム走査には光偏向デバイスが必須である。従来は、機器全体の回転、多角形ミラー（ポリゴンミラー）、ガルバノミラーといった機械式ミラー、マイクロマシーン技術（MEMS技術）による小型集積ミラーなど、いずれも機械式の機構が用いられているが、大型、高価、振動する移動体での不安定性などが問題であり、近年、非機械式の光偏向デバイスの研究が盛んとなっている。【０００５】
非機械式の光偏向デバイスとして、光の波長やデバイスの屈折率を変えることで光偏向を実現するフェーズドアレイ型や回折格子型が提案されている。しかしながら、フェーズドアレイ型の光偏向デバイスはアレイ状に並べられた多数の光放射器の位相調整が非常に難しく、高品質な鋭い光ビームを形成することができないという課題がある。回折格子型の光偏向デバイスは鋭いビームの形成が容易であるが、光偏向角が小さいという課題がある。【０００６】
また、走査される光ビームでは、前記した先鋭性の他、強度分布（振幅分布）の制御性が求められる。【０００７】
放射ビームのビーム強度の制御性を有する光偏向デバイスとして、例えば特許文献１〜５が提案されている。【０００８】
特許文献１にはグレーティングを構成する素子の高さ、幅、又は深さを導波光の導波方向に単調変化させる構成が示され、特許文献２には光の伝搬方向に対してグレーティング厚さをガウス分布とする構成が示され、特許文献３には回折格子の格子高さを略線形に漸次増大させる構成が示され、特許文献４にはグレーティングの深さ又はギャップ層の厚さを場所によって変える構成が示され、特許文献５にはグレーティングの表層に形成した溝の幅を導波路の長手方向に対して変調させる構成が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開昭６２−２９６１０２
【特許文献２】特開平４−１９５００３
【特許文献３】特開平６−９４９３９
【特許文献４】特開平７−１６９０８８
【特許文献５】特開２０１５−１６１８２９
【特許文献６】特願２０１６−１０８４４  （図１０）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前記した従来知られる光偏向デバイスは、導波路部とグレーティング等の光放射機構との２つの構成要素を組み合わせた構成であり、製作性、サイズ、コスト等の点から一つの構成要素で構成される光偏向デバイスが求められている。【００１１】
また、前記した先行技術は、光偏向デバイスとしてグレーティング（回折格子）を用い、格子の高さ、幅、又は深さ等の形状によって強度分布（振幅分布）を調整するものである。これらのグレーティングの表面形状は微細加工を要するため、加工精度や形状のばらつきといった課題を有している。そのため、形成が容易な構成によって強度分布（振幅分布）の制御性が得られる光偏向デバイスが求められている。【００１２】
本発明の光偏向デバイス及びライダー装置は、上記の課題を解決して、一つの構成要素で構成することを目的とする。また、形成が容易な構成によって強度分布（振幅分布）の調整を可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の発明者は、スローライト導波路を回折格子等の回折機構に結合させることによって光偏向角を増大させる技術を提案している（特許文献６）。スローライトはフォトニック結晶導波路のようなフォトニックナノ構造の中で発生し、低群速度を持つ。スローライトの光は、波長や導波路の屈折率のわずかな変化により、伝搬定数を大きく変化させるという特徴を持つ。このスローライト導波路の内部、もしくは直近に回折機構を設置すると、スローライト導波路が回折機構に結合して漏れ導波路となり、自由空間に光を放射する。このとき伝搬定数の大きな変化は放射光の偏向角に反映し、結果として大きな偏向角が実現される。【００１４】
本発明に係る光偏向デバイスは、フォトニック結晶の面内に、導波路に沿って２種類の異なる直径の円孔を繰り返す二重周期構造を備えるものをベースとする。【００１５】
フォトニック結晶の面内に導波路に沿って１種類の直径の円孔を繰り返してなる周期構造ではスローライト伝搬光は非放射であるが、２種類の異なる直径の円孔を繰り返す二重周期構造とすることによって、スローライト伝搬光は放射条件に変換され、空間に放射される。二重周期構造は、フォトニック結晶の面内に２種類の異なる直径の円孔を繰り返して備える構成であるため、一つの構成要素で構成することができる（特許文献６）。【００１６】
このような二重周期構造は、大径の円孔を繰り返す周期構造と、小径の円孔を繰り返す周期構造とを備え、基準の円孔の直径を２ｒとし、直径の相違幅を２Δｒとしたとき、大径の円孔の直径は２（ｒ＋Δｒ）であり、小径の円孔の直径は２（ｒ−Δｒ）である。なお、ここで、大径及び小径は、基準の円孔の直径に対して、あるいは互いの直径の比較において、大小の関係を示すものである。本発明者らは、このような構成においてΔｒを変化させると、放射率は大きく変化するが、放射角度や伝搬方向への伝搬定数等の他の性質はあまり変化しないことを見出した。【００１７】
（光偏向デバイスの形態）
本発明の光偏向デバイスの形態は、
（ａ）導波路として、従来のガラス材や半導体素材のバルク材に代えてフォトニック結晶によるフォトニック導波路を用いる。
（ｂ）回折機構として、従来提案されているグレーティングに代えてフォトニック結晶の構成を用いる。
（ｃ）フォトニック結晶による回折機構として、フォトニック結晶の面内に形成した複数の円孔の構造を備え、フォトニック結晶の面内に導波路に沿って径が変化する複数の円孔の周期構造を備える。【００１８】
本発明の光偏向デバイスが備える複数の円孔は、単にフォトニック結晶の面内に導波路を形成するだけでなく、複数の円孔の径が導波路に沿って変化する周期構造によって、放射ビームの強度分布（振幅分布）を調整する構成とする。【００１９】
本発明の光偏向デバイスによれば、フォトニック結晶の面内の円孔は、半導体成膜技術によって円孔の径、及び位置の調整が容易であるため、光偏向デバイスは強度分布（振幅分布）の制御性を容易な構成で得ることができる。【００２０】
（円孔の二重周期構造）
本発明に係る光偏向デバイスの導波路が備える、フォトニック結晶も面内に形成された複数の円孔の周期構造は、円孔の径が導波路に沿って互いに相補的に増減する二重周期構造である。【００２１】
二重周期構造は、円孔の径が増加する第１の周期構造と円孔の径が減少する第２の周期構造とを備える。基準の円孔の直径を２ｒ、相補的に増減する径の増減幅を２Δｒ１、２Δｒ２としたとき、
（ｄ）第１の周期構造が備える円孔の直径２ｒ１は２（ｒ＋Δｒ１）である。
（ｅ）第２の周期構造が備える円孔の直径２ｒ２は２（ｒ−Δｒ２）である。
第１の周期構造が備える円孔の直径２ｒ１と第２の周期構造が備える円孔の直径２ｒ２の各直径を、基準の円孔の直径２ｒに対して上記（ｄ）、(ｅ）の関係とすることによって、円孔の直径は導波路に沿って互いに相補的に増減する二重周期構造とすることができる。ここで、基準の円孔は、周期構造が備える複数の円孔から任意に設定することができる。【００２２】
（径の増減幅Δｒ１、Δｒ２）
径の増減幅Δｒ１及びΔｒ２は複数の設定形態とすることができる。【００２３】
［第１の設定形態］
第１の設定形態は、増減幅Δｒ１及び増減幅Δｒ２は同一の増減幅Δｒとする。この設定形態によれば、第１の周期構造の円孔の直径２ｒ１は２（ｒ＋Δｒ）で増加し、第２の周期構造の円孔の直径２ｒ２は２（ｒ−Δｒ）で減少する。【００２４】
［第２の設定形態］
第２の設定形態は、第１の周期構造が備える円孔の面積増加分と第２の周期構造が備える円孔の面積減少分を同量とする。【００２５】
増減する円孔の面積を同量とする形態は、増減幅Δｒ１と増減幅Δｒ２とは以下の関係によって構成することができる。
増減幅Δｒ１と増減幅Δｒ２との関係は以下の二つの態様で表すことができる。【００２６】
増減面積を同量とする第１の態様：
増減幅Δｒ１及び増減幅Δｒ２は、基準径ｒに対して、
（ｒ＋Δｒ１）２−ｒ２＝ｒ２−（ｒ−Δｒ２）２
の関係を備える。【００２７】
増減面積を同量とする第２の態様：
増減幅Δｒ１と増減幅Δｒ２の比率ｋ（＝Δｒ１／Δｒ２）は、基準径ｒに対して、
ｋ２＋（２ｒ/Δｒ２）・ｋ＝（２ｒ/Δｒ２）−１
又は
（１＋２ｒ/Δｒ１）ｋ２−（２ｒ/Δｒ１）・ｋ＝−１
の関係を備える。【００２８】
（光偏向デバイスの放射係数及び光放射分布）
導波路から面外に放射される放射光の伝搬方向に対する光放射分布は、光偏向デバイスの導波路の伝搬光の強度と光偏向デバイスの放射係数とに依存する。本発明の光偏向デバイスは、回折機構を構成する周期構造の円孔の径の増減状態によって放射係数を設定することができ、さらに、光放射分布を設定することができる。【００２９】
本発明の光偏向デバイスにおいて、導波路の伝搬光の伝搬方向に対する伝搬光強度分布Ｐ、導波路から面外に放射される放射光の伝搬方向に対する放射係数Ｂ、導波路から放射される光強度の伝搬方向に対する光放射分布Ｘとすると、光放射分布Ｘは伝搬光強度分布Ｐと放射係数Ｂとの積（Ｂ×Ｐ）で表される。【００３０】
この関係から、光偏向デバイスの放射係数Ｂは、光放射分布Ｘを伝搬光強度分布Ｐで除したＢ＝Ｘ／Ｐで表される。光偏向デバイスにおいて、光伝搬方向に沿った伝搬光強度分布は導波路の特性で定まるため、光放射分布Ｘは光偏向デバイスの放射係数Ｂにより設定することができる。したがって、放射係数Ｂを最適に設定することによって所望の光放射分布Ｘを得ることができる。【００３１】
ここで、放射係数Ｂと導波路に沿って変化する径の増減幅Δｒとの関係を用いることによって、最適な放射係数Ｂを与える円孔の増減幅Δｒが定まる。したがって、Δｒを最適に設定することによって所望の光放射分布Ｘを得ることができる。【００３２】
光放射分布Ｘは任意の分布形状とすることができる。例えば、光放射分布Ｘをガウス分布とした場合には、放射光の放射角θの変動Δθに対する放射光ビーム分布Ｙもガウス分布となり、不要なサイドローブを除くことができる。【００３３】
本発明において、光放射分布Ｘに対応して設定される放射係数の形態によれば、放射係数Ｂを最適化することで、サイドローブや裾引きを小さくし、より高品質の光ビームを形成することができ、光偏向デバイスを用いたライダー装置（LiDAR）等の空間分解能が高まる。また、放射係数の調整によって、スローライト導波路の損失に応じて、光が住復したときの合計損失を最小化するような設計も可能になる。【００３４】
本発明の光偏向デバイスはフォトニック結晶を用いて放射係数の最適化を可能とする構成の点に一つの特徴があり、この放射係数の最適化は、従来使用されるグレーテイング（回折格子）のような回折機構では困難である。グレーティングは一般に格子の深さ（高さ）によって放射量が変化する。したがって、面内で放射量を変えるためには、場所によって格子の深さ（高さ）を変える必要があるが、このように格子の深さ（高さ）を場所に応じて調整する加工は複雑な工程を必要とし、かつ高い加工精度を得ることは難しい。また、グレーティングの格子の深さ（高さ）を変えると、光の回折条件が変わるため、場所によって深さに分布を与えると、放射角度も分布を持つようになる。そのため、放射光が形成するビームにも余計な広がりが生じてしまう。つまり、回折機構としてグレーティングを用いた場合には、放射角度を揃えたままで放射係数を最適化することはできない。【００３５】
これに対して、本発明の光偏向デバイスの形態によれば、円孔の径を調整するといった面内の設計を変えるだけで放射係数の最適化と放射角度の固定を同時に達成することができる。また、放射係数の最適化は、面内の円孔の径を光搬送路に沿って増減するという容易な加工で実現することができ、また、高性能が実現できるという優位性を有している。【００３６】
（ライダー装置）
本発明のライダー装置は、本発明の光偏向デバイスと、波長が異なる複数のレーザ光を発するレーザ光源と、レーザ光を個別に検出する光検出部とを備える。光偏向デバイスは、レーザ光源が発する複数波長のレーザ光を、各レーザ光の波長及びビーム偏向器の屈折率で定まる各偏向角の方向に同時に並列して出射する出射器、及び外部から到達する複数波長のレーザ光の内、入射角が前記偏向角であるレーザ光を選択的に同時に並列して入射する入射器を同一素子で構成する。光検出器は、入射器において、出射器で出射されたレーザ光と同一の偏向角の入射角で入射した各波長のレーザ光を個別に検出する。出射器の偏向角と入射器の偏向角とを一致させることによって、出射器から出射され、物体に当たって反射した反射光を検出する。本発明のライダー装置は、本発明の光偏向デバイスを用いることによって、照射対象物に照射されるレーザ光の光放射分布を所望に分布形状とすることができる。
【発明の効果】
【００３７】
以上説明したように、本発明の光偏向デバイス及びライダー装置は、並列動作を簡易な構成で実現し、システムの大型化ないし複雑化を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】漏れ導波路による放射光ビームの形成、及びスローライトを発生させる周期構造を説明するための図である。
【図２】損失分、伝搬光強度分布、光放射分布、放射光ビームの分布の特性を示す図である。
【図３】本発明の光偏向デバイスの構成を説明するための図である。
【図４】フォトニックバンド、群屈折率ｎｇスペクトル、波長λに対する放射角θ、及び波長λに対する放射係数ＢdBを示す図である。
【図５】本発明の光偏向デバイスの構成を説明するための図である。
【図６】第１の周期構造と第２の周期構造の円孔の直径の増減を説明するための図である。
【図７】光偏向デバイスにおいて、伝搬光強度分布Ｐ（ｙ）、放射係数Ｂ（ｙ）、光放射分布Ｘ（ｙ）、放射光ビーム分布Ｙ（Δθ）の関係を説明するための図である。
【図８】伝搬光強度分布Ｐ（ｙ）、放射係数Ｂ（ｙ）、光放射分布Ｘ（ｙ）、放射光ビーム分布Ｙ（Δθ）を示す図である。
【図９】放射光ビームをガウシアンビームとする場合の光偏向デバイスの例を示す図である。
【図１０】ライダー装置の構成の形態を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。
スローライト構造を用いた光偏向デバイスにおいて、図１を用いて漏れ導波路を用いた光放射機構を説明し、図２〜図９を用いて本発明の光偏向デバイスの構成を説明し、図１０を用いて本発明のライダー装置の構成を説明する。
【００４０】
（漏れ導波路による放射光ビーム）
図１は漏れ導波路による放射光ビームの形成、及びスローライトを発生させる周期構造を説明するための図である。図１（ａ）は漏れ導波路から光を放射させる概要を示し、図１（ｂ）は回折機構としてグレーティング（回路格子）を用いた例を示している。
【００４１】
図１（ａ）において、漏れ導波路１０に入射した入射光は漏れ導波路１０から偏向角θで放射ビームとして放射される。このとき、放射ビームの偏向角θは、入射光の波長λや漏れ導波路の屈折率ｎに依存して変化する。
【００４２】
図１（ｂ）は、漏れ導波路による光偏向デバイスにおいて、スローライト構造の導波路と光放射機構とを個別の機構とする構成例を示している。
【００４３】
光偏向デバイス１の導波部１１は、第１の屈折率媒質の上部クラッド１１ｂと下部クラッド１１ｃとの間に、第２の屈折率媒質を周期ａで配置して構成されるスローライト導波路１１ａを備える。スローライト導波路１１ａは、第１の屈折率媒質の屈折率のクラッドに対して第２の屈折率媒質を周期ａで周期配置して周期構造（導波路の周期構造）を形成している。第１の屈折率媒質は第２の屈折率媒質よりも高屈折率の媒質を選択することができる。屈折率が大きな材料を深くエッチングするなどによって形成した刻みが大きな周期構造に対して、この周期構造を伝搬する方向から光を入射させると、群速度が小さい光（スローライト）が発生する。スローライト導波路１１ａは、一端から入射した入射光を低群速度のスローライトモードで伝搬する。
【００４４】
光偏向デバイス１の出射部１２は、上部クラッド１１ｂに隣接した位置に表面回折格子等の光放射機構１２ａを備える。光放射機構１２ａは、例えば周期Λの凹凸形状を備える。周期Λの凹凸形状は、屈折率媒質の屈折率ｎと空気等の外部媒質の屈折率ｎｏｕｔとの間で周期Λの周期構造（光放射機構の周期構造）を構成する。
【００４５】
導波路の周期構造を備えるスローライト導波路１１ａのスローライトは、光の波長λや導波路の屈折率ｎなどの伝搬状況のわずかな変化によって伝搬定数βが大きく変化する。このような光は、周囲に電磁界の拡がり（浸み出し成分）を持ちながら伝搬する。この浸み出し成分にわずかに触れるような距離に、屈折率が小さな材料や浅いエッチングなどによって形成される刻みが小さな周期構造（光放射機構の周期構造）を備えた出射部１２を配置すると、スローライトはこれに結合して散乱・回折が行われ、上方や斜め方向に徐々に放射される。放射は、導波路進行方向に沿って広い範囲で起こり、かつ位相が揃っている。そのため、光偏向デバイスを伝搬方向に沿った横方向から見たとき、出射ビームは高品質な鋭い光ビームとなる。
【００４６】
光の波長λや、導波路の周期構造を構成する屈折率媒質の屈折率ｎを変えると導波部１１の伝搬定数βが変わり、出射部１２の光放射機構の周期構造との結合条件が変わる。その結果として、出射ビームの出射角度θが変わる。
【００４７】
（フォトニック結晶によるスローライト構造）
スローライト導波路において２次元のフォトニック結晶で構成する例について、図１（ｃ）を用いて説明する。
【００４８】
図１（ｃ）の２次元フォトニック結晶導波路１１ｄは、同様の厚さの半導体（Ｓｉなど）スラブに同様の円孔を２次元周期的に例えば三角格子配列で配列し、配列の一列の円孔を取り除いた構成である。この２次元フォトニック結晶導波路１１ｄの構造において、ブラッグ波長付近ではフォトニックバンドギャップが生じ、群屈折率ｎｇが大きくなってスローライトが生じる。
【００４９】
漏れ導波路による光偏向デバイスにおいて、スローライト構造の導波路と光放射機構とを個別の機構とする構成では、２次元のフォトニック結晶導波路１１ｄの表面に、周期構造を備える表面回折格子を形成して光放射機構を構成する。２次元フォトニック結晶導波路と表面回折格子の間のクラッドの厚さを調整することによって、両者の結合の度合いを変え、適切な速度の光放射を得る。
【００５０】
（光偏向デバイスの放射係数、光放射分布、放射光ビーム分布）
前記した光偏向デバイスは、導波路と光放射機構とを個別の構成要素で構成するのに対して、本発明の光偏向デバイスは、円孔の周期構造によって、導波路と光放射機構とを一つの機構とする構成である。以下、この円孔の周期構造において、光偏向デバイスの放射係数、光放射分布、放射光ビーム分布の概要について説明する。
【００５１】
前記したスローライト構造の導波路では、スローライトが徐々に漏れ出して放射光ビームを形成する。このとき、光が伝搬する方向に対して導波路の構造が一様であれば、放射係数が一定なので、スローライトの強度が強いほど、放射強度が大きくなる。スローライトは最初に強度が強く、長い距離を伝搬するほど放射や導波路自体の損失の影響を受けて指数関数的に強度が弱くなる。そのため、放射光ビームは同じ波面の中でも手前側で強く、奥行き方向に向かって弱くなるという偏った強度分布になる。このような放射光ビームが遠方の物体に到達すると、近場の強度分布がフーリエ変換された分布になる。指数関数分布のフーリエ変換はsinc関数であるため、強度ピークから振動しながら減衰するサイドローブが多い分布になる。これは放射光ビームの品質を低下させるため、ライダー装置（LiDAR）の空間分解能を低下させることになる。
【００５２】
上記した放射光ビームの強度分布について説明する。導波路の不要な損失係数をＡ[cm-1］、光放射機構による光の放射係数をＢ[cm-1］、光の進行距離yに対する導波路における伝搬光強度分布をＰ（ｙ）とすると、以下の微分方程式が成り立つ。
ｄＰ(y)/ｄy＝−(Ａ+Ｂ)Ｐ(y)      ・・・（１）
【００５３】
この式（１）を解くと、伝搬光強度分布Ｐ（ｙ）及び光放射分布Ｘ（ｙ）は、それぞれ以下の式（２），（３）で表される。
Ｐ(y)=Ｐ０e−（Ａ＋Ｂ）ｙ        ・・・（２）
Ｘ(y)=Ｂ・Ｐ(y)          ・・・（３）
【００５４】
ここで、導波路の伝搬定数をβとすると、周期Λをもつ光回折機構に変換された面内の波数k‖は以下の式（４）で表される。
ｋ‖＝β−(２π/Λ)Ｎ      ・・・（４）
ここで、Ｎは自然数である。ΛもＮが大きな値を取る高次回折では複数本の放射ビームが生じる。そこで、通常はＮ＝１の１次回折を用いる。
【００５５】
デバイス表面と自由空間の境界で波数k‖が保存されて放射ビームが形成され、放射角θに対して以下の式（５）が成り立つ。
ｋ‖＝β−(２π/Λ)＝ｋ０sinθ    ・・・（５）
【００５６】
θ方向に放射される放射光ビームのθからのずれ量をΔθとすると、遠方で放射光ビーム分布Ｙ（Δθ)は、以下の式（６）となる。
2018110284.tif 000003
上記式（６）において、ｙ'は放射光ビームの波面に沿った向きに対するｙの射影成分である。
【００５７】
上記した式（２），（３），（６）を用いて計算した特性を図２に示す。図２(ａ)のAdBとBdBは、それぞれ導波路の損失係数Ａと、光放射機構による光の放射係数ＢをｄＢ/cmに変換した値である。なお、ここでは、損失係数Ａ及び放射係数Ｂはいずれも光の進行方向に対して一定値としている。
【００５８】
図２（ｂ）に示す伝搬光強度分布Ｐ（ｙ）は指数関数的に減衰する関数となり、図２（ｃ）に示す光放射分布Ｘ（ｙ）も伝搬光強度分布Ｐ(ｙ)を反映して指数関数的に減衰する。
【００５９】
図２（ｄ）に示す放射光ビーム分布Ｙ（Δθ）は単峰ビームになるが、Δθの半値全幅は約０．０４［deg］°であり、サイドローブや裾引きが現れる。
なお、図２では、放射係数ＢdB[dB/cm］が２０ｄＢ/cm、５０ｄＢ/cm、及び８０ｄＢ/cmの例を示している。
【００６０】
（光偏向デバイスの二重周期構造）
本発明の光偏向デバイスは、導波路と光放射機構とを一つの機構で構成とすると共に、複数の円孔配列を二重周期構造とすることによって、スローライトの伝搬光と結合させる回折機構の放射係数Ｂを光の進行方向に対して徐々に変化させる構造とする。
【００６１】
この二重周期構造は放射光の放射角について変化させないため、放射係数Ｂを調整することによって、放射係数Ｂが一定の場合と比較して高い品質の放射光ビームを得ることが可能となる。
【００６２】
本発明の光偏向デバイスは、スローライト導波路としてフォトニック結晶導波路を用いて、導波路と光放射機構とを一つの機構で構成する。フォトニック結晶導波路は、導波路の左右を円孔配列したフォトニック結晶で挟むことにより光を反射させて伝搬させ、導波路を構成する。
【００６３】
本発明に係る光偏向デバイスは、フォトニック結晶の面内に、導波路を形成する導波路に沿って２種類の異なる直径の円孔を繰り返す二重周期構造を備えることをベースとする。
【００６４】
図３は本発明に係る光偏向デバイスの基本原理を説明するための図である（特許文献６）。
光偏向デバイス１は、Ｓｉ等の半導体などの高屈折率媒質からなるスラブに、ＳｉＯ２等の低屈折率媒質の円孔３ａ，３ｂを２次元周期的に例えば三角格子配列で配列し、一部の配列の円孔を取り除いた構成であり、円孔を取り除いた部分は２次元フォトニック結晶による導波部を構成すると共に、放射光ビームを放射する出射部を構成する。
【００６５】
光偏向デバイス１は、光伝搬方向に対して２種類の異なる直径２ｒ１と２ｒ２の円孔３ａ，３ｂを繰り返す二重周期構造４を備える。この二重周期構造４によって、同径の円孔を配列してなる周期構造では非放射となるスローライト伝搬光が放射条件に変換され、空間に放射される。
【００６６】
本発明に係る光偏向デバイスが備える二重周期構造は、大径の円孔を繰り返す周期構造と、小径の円孔を繰り返す周期構造とを備える。基準の円孔の直径を２ｒとし、直径の相違幅を２Δｒとしたとき、大径の円孔の直径２ｒ１は２（ｒ＋Δｒ）であり、小径の円孔の直径２ｒ２は２（ｒ−Δｒ）である。また、隣接する大径の円孔３ａと小径の円孔３ｂとの中心間間隔をａとしたとき、各周期構造の円孔の間隔Λは２ａである。
【００６７】
光偏向デバイス１のサイズ例は、例えば、a＝４００nm、２ｒ＝２１０nmとし、また隣接する円孔３ａと円孔３ｂとの間隔ｓ３は８４nmである。なお、このサイズは１例であって、この数値に限られるものではない。
【００６８】
また、図３に示す光偏向デバイスの構成例において、３列目シフト型シリカクラッドSi LSPCWを用いたデバイスや、２列目シフト型LSPCWを用いたデバイスの構成とすることができる。ｎｇが大きな２列目シフト型LSPCWによれば、光偏向角Δθの増大が期待される。
【００６９】
図４（ａ）〜（ｄ）は、本発明の光偏向デバイスにおいて、フォトニックバンド、群屈折率ｎｇスペクトル、波長λに対する放射角θ、及び波長λに対す放射係数ＢdBを示している。なお、図４（ｃ）の放射角θは、面垂直方向（図３のｚ方向）をθ＝０°としている。
【００７０】
図４（ａ）において、二重周期構造を備える本発明の光偏向デバイスにおいて、光伝搬特性を表すフォトニックバンドは、円孔の直径ｒが２Δｒ分だけ変化した場合においても、円孔の直径が２ｒで一様である場合と同様に変化しない。また、群屈折率ｎｇにおいても、図４（ｂ）に示すように径変化Δｒに対して変化せず、ｎｇがほぼ２０の低分散のスローライトが広い波長帯域で生じ、フォトニックバンド端に相当する波長に向かって急激にｎｇが大きくなり、スローライト効果がさらに大きくなることを示している。光伝搬特性の特性は、光の伝搬方向に対して伝搬定数βが変わらず、図４（ｃ）に示す様に、放射される光の角度θが変わらないことを示している。
【００７１】
一方、図４（ｄ）において、光の放射係数ＢdBは、円孔の直径２ｒをΔr変化させることによって変えることができる。図４（ｄ）では、Δｒが５ｎｍ，１０ｎｍ，１５ｎｍ，２０ｎｍである例を示し、Δｒが増加すると放射係数ＢdBが増加することを示している。放射係数Ｂは、光搬送路から伝搬光が面外に漏れ出す率を表し、Δｒが大きい程、面外に放射される放射光ビームの強度が増す。また、光搬送路に沿ってΔｒを調整することによって、面外に放射される放射光ビームが強度を制御することができ、光ビーム分布を調整して高品質の光ビーム分布を形成することができる。
【００７２】
図４（ｃ）に示す波長λに対する放射角θにおいて、放射角θはフォトニックバンドを反映するためΔｒ依存性は小さい。図４（ｃ）には示していないが、スローライト効果とシリカクラッド／空気境界面での屈折により、波長変化Δｒ＝２７ｎｍに対して３０°近い光偏向角Δθが得られる。
【００７３】
図４（ｄ）に示す波長λに対する放射係数ＢdBにおいて、ｎｇが大きな２列目シフト型LSPCWを使えば、さらにＢdBの増大が期待される。一方、ＢdBはΔｒが大きいほど増加する。したがって、Δｒの制御により光放射量の制御が可能であり、拡がりが小さな光放射ビームの形成が可能である。
【００７４】
このように、本発明者らはΔｒを変化させると、放射率は大きく変化するが、放射角度や伝搬方向への伝搬定数等の他の性質はあまり変化しないことを見出し、本願の目的である面外に放射される放射光のビーム分布を調整して高品質の光ビーム分布を形成するために適用可能であることを見出した。
【００７５】
（光偏向デバイスの形態）
本発明の光偏向デバイスの形態は、フォトニック結晶による回折機構としてフォトニック結晶の面内に形成した複数の円孔の構造において、フォトニック結晶の面内に導波路に沿って径が変化する複数の円孔の周期構造を備える。本発明の光偏向デバイスが備える複数の円孔は、フォトニック結晶の面内において搬送光の導波路と、放射光ビームを面外に放射する光放射機構とを構成し、複数の円孔の径が導波路に沿って変化する周期構造によって、放射ビームの強度分布（振幅分布）を調整する。
【００７６】
図５（ａ）は光偏向デバイスの形態の概略構成を示し、図５（ｂ）は光偏向デバイスの形態が備える第１の周期構造及び第２の周期構造を示している。
【００７７】
図５（ａ），（ｂ）において、光偏向デバイス１は導波路５を挟む両側に、光の伝搬方向に対して直径が変化する複数の円孔３ａ，３ｂの周期構造４を備える。複数の円孔の周期構造４は、円孔３ａ，３ｂの直径が導波路５に沿って互いに相補的に増減する二重周期構造である。
【００７８】
図５（ｂ）において、二重周期構造４は、円孔の直径が増減する第１の周期構造４ａ及び第２の周期構造４ｂを備える。第１の周期構造４ａと第２の周期構造４ｂの円孔の直径の増減は互いに相補的であり、一方の周期構造において円孔の直径が増加する場合には、他方の周期構造において、増加する円孔と隣接する円孔の直径は減少する。なお、円孔の直径の増減は導波路５の方向に沿ったものであるが、導波路５において伝搬光が進行する方向、あるいは伝搬光が進行する方向と逆方向の何れを基準とするかによって、増減の方向が変わる相対的なものであるため、ここでは、仮に伝搬光が進行する方向を基準の方向とし、基準方向を増加方向とし、基準と逆方向を減少方向として説明する。
【００７９】
第１の周期構造４ａにおいて、複数の円孔３ａは直径２ｒ１を導波路５の伝搬光の方向に対して増加又は減少する。一方、第２の周期構造４ｂにおいて、複数の円孔３ｂは直径２ｒ２を導波路５の伝搬光の方向に対して減少又は増加する。
【００８０】
図６は第１の周期構造と第２の周期構造の円孔の直径の増減を説明するための図である。図６（ａ）において、基準の円孔の径をｒ、相補的に増減する径の増減幅をΔｒ１、Δｒ２とし、図面の下方から上方に向かう方向を基準方向としたとき、第１の周期構造４ａを構成する円孔３ａの直径２ｒ１は２Δｒ１分増加し、順に２（ｒ＋Δｒ１）、２（ｒ＋２Δｒ１）・・・となる。一方、第２の周期構造４ｂを構成する円孔３ｂの直径２ｒ２は２Δｒ２分減少し、順に２（ｒ−Δｒ２）、２（ｒ−２Δｒ２）、・・・となる。
【００８１】
第１の周期構造４ａが備える円孔３ａと、第２の周期構造４ｂが備える円孔３ｂの各直径２ｒ１，２ｒ２を、基準の円孔の直径２ｒに対して、上記した２Δｒ１，２Δｒ２分だけ増減させることによって、円孔３ａ，３ｂの直径２ｒ１，２ｒ２は導波路に沿って互いに相補的に増減する二重周期構造となる。基準の円孔は、周期構造が備える複数の円孔から任意に設定することができる。なお、増減分のΔｒ１及びΔｒ２を共通のΔｒとした場合には、第１の周期構造４ａが備える円孔３ａの直径は２（ｒ＋Δｒ）、２（ｒ＋２Δｒ）となり、第２の周期構造４ｂが備える円孔３ｂの直径は２（ｒ−Δｒ）、２（ｒ−２Δｒ）となる。
【００８２】
上記した説明では、第１の周期構造４ａの円孔の直径２ｒ１を増加させ、第２の周期構造４ｂの円孔の直径２ｒ２を減少させる例について説明したが、第１の周期構造４ａの円孔の直径２ｒ１を減少させ、第２の周期構造４ｂの直径２ｒ２を増加させてもよい。
【００８３】
上記した構成において、Δｒ１とΔｒ２の増減によって光の放射量を増減させることができるが、Δｒ１とΔｒ２の増減によってはフォトニックバンドにずれが生じ、光搬送路に位置によって伝搬定数βや放射角θも同時に変化する場合がある。その結果、放射光ビームが一本にまとまらず、様々な方向に拡散してしまう低品質な放射光ビームとなる。
【００８４】
ここで、上記したΔｒ１とΔｒ２の増減による、伝搬定数βや放射角θの変動を抑制する構成として、本発明の光偏向デバイスは、Δｒ１とΔｒ２を変える際に、円孔の面積の増加分と円孔の面積の減少分とが等しくなる構成を備えると良いことが判明した。
【００８５】
この円孔の面積の増加分と円孔の面積の減少分とが同量となる関係は、増減幅Δｒ１及び増減幅Δｒ２との関係において、基準の径ｒに対して以下の式（７）で表すことができる。
（ｒ＋Δｒ１）２−ｒ２＝ｒ２−（ｒ−Δｒ２）２        ・・・（７）
【００８６】
図６（ｂ）は光偏向デバイスの第１の周期構造の円孔と第２の周期構造の円孔の各面積の増減を互いに同量とする構成を示している。
【００８７】
第１の周期構造の円孔３ａの面積は、直径が２ｒから２（ｒ＋Δｒ１）に増加することによってΔＳ１（＝（ｒ＋Δｒ１）２−ｒ２）だけ増加する。一方、第２の周期構造の円孔３ｂの面積は、直径が２ｒから２（ｒ−Δｒ２）に減少することによってΔＳ２（＝ｒ２−（ｒ−Δｒ２）２）だけ減少する。
【００８８】
増加幅Δｒ１と減少幅Δｒ２を調整することによって、ΔＳ１とΔＳ２の面積の増減分を同量とする。光偏向デバイスの第１の周期構造の円孔と第２の周期構造の円孔の各面積の増減を互いに同量とする構成によって、前記したように、Δｒ１＝Δｒ２＝Δｒとした構成と比較しても、さらにフォトニックバンドの変化を抑制することができ、高品質な光ビームを形成することができ、本願の目的である面外に放射される放射光のビーム分布を調整して高品質の光ビーム分布を形成するために好適であることを見出した。
【００８９】
円孔の面積の増加分と円孔の面積の減少分が同量となる関係は、増減幅Δｒ１と増減幅Δｒ２の比率ｋ（＝Δｒ１／Δｒ２）を用いて表すこともできる。この場合には、増減幅Δｒ１と増減幅Δｒ２の比率ｋ（＝Δｒ１／Δｒ２）は、基準の径ｒに対して、以下の式（８）又は式（９）で表すことができる。
ｋ２＋（２ｒ/Δｒ２）・ｋ＝（２ｒ/Δｒ２）−１      ・・・（８）
（１＋２ｒ/Δｒ１）ｋ２−（２ｒ/Δｒ１）・ｋ＝−１  ・・・（９）
【００９０】
（光偏向デバイスの放射係数及び光放射分布）
図７（ａ）は、光偏向デバイスにおいて、伝搬光強度分布Ｐ（ｙ）、放射係数Ｂ（ｙ）、光放射分布Ｘ（ｙ）、放射光ビーム分布Ｙ（Δθ）の関係を示し、図７（ｂ）は放射係数Ｂ（ｙ）と円孔の径の増減Δｒとの関係を示している。なお、ｙは光偏向デバイスの導波路において、入射光の入射端からの距離である。
【００９１】
本発明の光偏向デバイスは、回折機構を構成する周期構造の円孔の径の増減状態によって放射係数を設定することができ、さらに、光放射分布を設定することができる。
【００９２】
本発明の光偏向デバイスにおいて、導波路の伝搬光の伝搬方向に対する伝搬光強度分布Ｐ（ｙ）、導波路から面外に放射される放射光の伝搬方向に対する放射係数Ｂ（ｙ）、導波路から放射される光強度の伝搬方向に対する光放射分布Ｘ（ｙ）とすると、光放射分布Ｘ（ｙ）は、伝搬光強度分布Ｐ（ｙ）と放射係数Ｂ（ｙ）とに依存し、光放射分布Ｘ（ｙ）は伝搬光強度分布Ｐ（ｙ）と放射係数Ｂ（ｙ）との積により以下の式（１０）で表される。
Ｘ（ｙ）＝Ｂ（ｙ）・Ｐ（ｙ）    ・・・（１０）
【００９３】
この関係から、光偏向デバイスの放射係数Ｂ（ｙ）は、光放射分布Ｘ（ｙ）を伝搬光強度分布Ｐ（ｙ）で除した以下の式（１１）で表される。
Ｂ（ｙ）＝Ｘ（ｙ）／Ｐ（ｙ）    ・・・（１１）
【００９４】
光偏向デバイスにおいて、光伝搬方向に沿った伝搬光強度分布は導波路の特性で定まるため、光放射分布Ｘ（ｙ）は光偏向デバイスの放射係数Ｂ（ｙ）により設定することができる。したがって、放射係数Ｂ（ｙ）を設定することによって所望の光放射分布Ｘ（ｙ）を得ることができる。
【００９５】
さらに、所望の光放射分布Ｘ（ｙ）を実現するための光偏向デバイスの円孔の増減幅Δｒは、放射係数Ｂ（ｙ）と径の増減幅Δｒとの関係に基づいて求めることができる。
【００９６】
放射係数Ｂ（ｙ）と径の増減幅Δｒとの関係は、放射係数−径変化特性から得ることができ、径の増減幅Δｒは、この放射係数Ｂと増減幅Δｒとの関係に基づいて、放射係数Ｂに対応する値として得られる。
【００９７】
光放射分布Ｘ（ｙ）は任意の分布形状とすることができる。例えば、光放射分布Ｘ（ｙ）をガウス分布とした場合には、放射光の放射角θの変動Δθに対する放射光ビーム分布Ｙ（Δθ）のサイドローブを除くことができる。
【００９８】
図２で示したように、光搬送路方向に沿って放射係数Ｂが一定な場合は、光放射分布Ｘ（ｙ）が指数関数的に減衰し、放射光ビーム分布Ｙ（Δθ）のサイドローブはsinc関数となる。光ビームのサイドローブを抑制するためには、放射光ビーム分布Ｙ(Δθ)をガウス関数にすることが考えられる。この場合、光放射分布Ｘ（ｙ） 自体もガウス関数にする必要がある。伝搬光強度分布Ｐ（ｙ）は導波路の損失係数Ａや放射係数Ｂによって減衰する。損失係数Ａ及び放射係数Ｂによる減衰も考慮に入れて、光放射分布Ｘ（ｙ）を、長さＬの導波路の中央でピークをもつガウス関数にするためには、ｙに沿って変化する放射係数Ｂ（ｙ）が以下を満たす必要がある。
Ｘ（ｙ）＝Ｂ（ｙ）・Ｐ（ｙ）＝Ｄexp（−ａ・(ｙ−Ｌ/２)２）
・・・（１２）
【００９９】
ここで、ａはガウス関数の広がりを与える係数、Ｄはガウス関数のピークでの放射量を表す定数である。式（１２）に基づいて伝搬に関する微分方程式は以下の式（１３）で表される。
dＰ(y)/dy＝−ＡＰ（ｙ）−Ｄexp（−ａ・(ｙ−Ｌ/２)２）
・・・（１３）
【０１００】
式（１３）を解くと、放射係数Ｂ（ｙ）は以下の式（１４）で表される。
2018110284.tif 000004
【０１０１】
図８は、上記した式（１２），（１４）を用いた演算結果を示し、図８（ａ）は伝搬光強度分布Ｐ（ｙ）を示し、図８（ｂ）は放射係数Ｂ（ｙ）を示し、図８（ｃ）は光放射分布Ｘ（ｙ）を示し、図８（ｄ）は放射光ビーム分布Ｙ（Δθ）を示している。
【０１０２】
ここでηは定数Ｄに依存した定数であり、ｙ＝Ｌの位置において放射されずに残る光の量を表している。またｆはｆ＝ａ・（Ｌ/２）２で与えられる定数である。例えば、ｆ＝０はａ＝０に対応し、放射光分布Ｘ（ｙ）は変化が無限に少ないガウス関数となる。一方、大きな定数ｆは大きな係数ａに対応し、変化が大きなガウス関数となる。
【０１０３】
図８は、（ｆ＝２，η＝０．９），（ｆ＝１，η＝０．９５），（ｆ＝１，η＝０．９），（ｆ＝０，η＝０．９５），及び（ｆ＝０，η＝０．９）の各値において、導波路の損失係数Ａが０dB／cm，１０dB／cm，及び３０dB／cmであるときの各場合について示している。
【０１０４】
図８において、ｆ＝２、η＝０．９とした場合に得られる放射光ビーム分布Ｙ(Δθ)は、サイドローブや裾引きがほとんどないガウシアンビームが形成されることを示している。
【０１０５】
（光偏向デバイスの構成例）
図９は放射光ビームをガウシアンビームとする場合の光偏向デバイスの例を示している。図９（ａ）は光偏向デバイス１の平面図を示し、図９（ｂ），（ｃ）は光偏向デバイス１の斜視図を示し、図９（ｃ）は放射光ビームの分布形状を模式的に示している。
【０１０６】
放射光ビームをガウシアンビームとするための放射係数Ｂ（ｙ）を式（１４）により求め、さらに、求めた放射係数Ｂ（ｙ）の分布形状を形成する円孔の径を求める。円孔の径を求めるには、放射係数Ｂ（ｙ）と光偏向デバイス１の面内に形成する円孔の径の増減幅Δｒとの対応関係を予め求めておき、この対応関係に基づいて、放射係数Ｂに対応する径の増減幅Δｒを光偏向デバイス１の光伝搬方向の位置に応じて求める。図９に示す構成例では、光偏向デバイス１の周期構造４が備える円孔３の列の各径を光伝搬光方向の中央付近に対して増減させる構成としている。
【０１０７】
（ライダー装置の形態）
本発明のライダー装置は、本発明の光偏向デバイスと、波長が異なる複数のレーザ光を発するレーザ光源と、レーザ光を個別に検出する光検出部とを備える。光偏向デバイスは、レーザ光源が発する複数波長のレーザ光を、各レーザ光の波長及び導波路の屈折率で定まる各偏向角の方向に同時に並列して出射する出射器、及び外部から到達する複数波長のレーザ光の内、入射角が前記偏向角であるレーザ光を選択的に同時に並列して入射する入射器を同一素子で構成する。光検出器は、入射器において、出射器で出射されたレーザ光と同一の偏向角の入射角で入射した各波長のレーザ光を個別に検出する。出射器の偏向角と入射器の偏向角とを一致させることによって、出射器から出射され、物体に当たって反射した反射光を検出することができる。
【０１０８】
ライダー装置の構成の各形態について、図１０を用いて説明する。ライダー装置の第１形態は、入射器と出射器とを個別に構成する形態である。図１０（ａ）はライダー装置の第１の形態を示している。第１の形態のライダー装置１００Ａは、レーザ光源１０２、導波路１０４、及び光偏向デバイス１０１で構成される出射器と、光偏向デバイス１０１、導波路１０４、及び光検出器１０３（フォトダイオード）で構成される入射器とを個別に備え、並置する構成である。出射器はレーザ光源１０２の光を光偏向デバイス１０１から外部に向けた出射し、入射器は物体に当たって反射した反射光を入射し、フィルタ（図示していない）を通過させ後、分岐路を介して光検出部１０３に導いて検出する。
【０１０９】
物体からの反射光は大きく広がって拡散するため、出射器の横に入射器を配置した構成であっても、入射器が受けられる光ビームの角度を出射器の放射角度とわずかに違うように設定することによって、出射器から出射した光を直接に入射することなく反射光を受けることができる。
【０１１０】
図１０（ｂ）はライダー装置の第２の形態を示している。第２の形態のライダー装置１００Ｂは、導波路１０４を分岐し、分岐路の一端に光検出部１０３（フォトダイオード）を配置する構成である。光偏向デバイス１０１は入射した反射光をフィルタ（図示していない）に通過させ後、分岐路を介して光検出部１０３に導いて検出する。
【０１１１】
図１０（ｃ）は第３の形態を示している。第３の形態のライダー装置１００Ｃは、導波路１０４に光スイッチ１０５を挿入し、レーザ光源１０２のレーザ光が通過した後に光検出部１０３（フォトダイオード）側に切り換え、反射して戻ってきたレーザ光を光検出部１０３（フォトダイオード）に高効率で導く。
【０１１２】
図１０（ｄ）は第４の形態を示している。Ｓｉ導波路にｐ−ｎ接合を形成したフォトダイオードは、強い逆バイアスを掛けると、結晶欠陥を介したサブバンドギャップ吸収を起こして、本来は検出できない長波長帯の光が検出できるようになる。第４の形態のライダー装置１００Ｄは、光検出部１０３としてしたｐ−ｎ接合を形成したフォトダイオードを導波路１０４の途中に挿入し、レーザ光源１０２のレーザ光が通過した後に逆バイアスに変更して、反射された光パルスを検出する。
【０１１３】
図１０（ｅ）は第５の形態を示している。第５の形態のライダー装置１００Ｅは、レーザ光源と光検出部とを兼ねるパルス光源・光検出部１０６を備える。パルス光源・光検出部１０６は、パルス光源となる半導体レーザに逆バイアスを掛けてフォトダイオードとしても動作させることができる。この構成によれば、パルス光源・光検出部１０６はレーザ光を発した後に、逆バイアスを掛けてフォトダイオードとしても動作させ、反射して戻ってきたレーザ光を検出する。
【０１１４】
反射光を用いるライダー装置の各形態において、レーザ光源からの光は、光パルスあるいは連続光とすることができる。ライダー装置は、光パルスを用いた場合にはＴＯＦ方式によって距離測定を行い、連続光を用いた場合にはＦＭＣＷ方式によって距離測定を行うことができる。
【０１１５】
各形態のライダー装置の装置構成によれば、仮に同じ波長の光が別の方向から到来したとしても入射角が異なるため、光は逆順をたどらないので元の導波路に結合せず、光検出部（フォトダイオード）に入射することはない。
【０１１６】
図１０に示す各形態例において、導波路１０４に波長フィルタの光フィルタを挿入してもよい。光フィルタはレーザ光源のレーザ光の波長を通過させるフィルタであり、レーザ光源の波長を変えたときは、波長変更と同期して通過波長も変えられる可変波長フィルタとするのがより好ましい。
【０１１７】
環境中には様々な波長の光があり、レーザ光源の波長とは異なる波長の光がノイズ成分として光偏向デバイス１に到来することがある。仮に、異なる波長の光の入射角と、光ビームの出射角とが同じであるときには、波長が異なるノイズ成分は導波路に結合することができないが、別の方向から光偏向デバイス１に到来したノイズ成分の中には、導波路に結合して戻ることができるものがある。光フィルタは、このように導波路に結合するノイズ成分を除去することができる。このノイズ成分の除去は、ライダー装置の反射信号を検出する際のＳＮ比の向上に寄与する。
【０１１８】
光偏向デバイス及びライダー装置に関わる技術は近赤外光を用いる構成の他、可視光材料によるデバイス形成によって、プロジェクタやレーザディスプレイ、網膜ディスプレイ、２Ｄ／３Ｄプリンタ、ＰＯＳやカード読み取り等の可視光による適用が想定される。
【０１１９】
なお、本発明は前記各実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【０１２０】
本発明の光偏向デバイス及びライダー装置（レーザレーダー）は、自動車、ドローン、ロボット、産業機器に搭載されるレーザレーダー(LiDAR)、パソコンやスマホに搭載して周囲環境を手軽に取り込む３Ｄスキャナ、監視システムなどに利用できる。また同様の光偏向デバイスを用いれば、光交換やデータセンター用の空間マトリックス光スイッチなどが可能である。
【符号の説明】
【０１２１】
１    光偏向デバイス
２ｒ，２ｒ１，２ｒ２    直径
３，３ａ，３ｂ    円孔
４    二重周期構造
４ａ    周期構造
４ｂ    周期構造
５    導波路
１０    漏れ導波路
１１    導波部
１１ａ    スローライト導波路
１１ｂ    上部クラッド
１１ｃ    下部クラッド
１１ｄ    ２次元フォトニック結晶導波路
１２    出射部
１２ａ    光放射機構
１００Ａ〜１００Ｅ    ライダー装置
１０１    光偏向デバイス
１０２    レーザ光源
１０３    光検出部
１０４    導波路
１０５    光スイッチ
１０６    パルス光源・光検出部
Ａ    導波路の損失係数
Ｂ    放射係数
Ｄ    定数
ｆ    定数
ｋ    波数
Ｐ    伝搬光強度分布
ｒ    基準径
Ｘ    光放射分布
Ｙ    放射光ビーム分布
【図１】
2018110284.tif 000005
【図２】
2018110284.tif 000006
【図３】
2018110284.tif 000007
【図４】
2018110284.tif 000008
【図５】
2018110284.tif 000009
【図６】
2018110284.tif 000010
【図７】
2018110284.tif 000011
【図８】
2018110284.tif 000012
【図９】
2018110284.tif 000013
【図１０】
2018110284.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成30年4月20日(2018.4.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトニック結晶の面内に形成された複数の円孔で構成された二重周期構造を備え、導波路の両側が前記二重周期構造で挟まれた構造を有する光偏向デバイスであって、
前記二重周期構造は、第１の周期構造と第２の周期構造とを備えるとともに、前記第１の周期構造を構成する円孔と前記第２の周期構造を構成する円孔とが前記導波路に沿った基準方向において互いに交互に配置された構造を備え、
前記第１の周期構造を構成する複数の円孔は、前記基準方向において、円孔の直径が第１の幅ずつ増加するように構成されており、
前記第２の周期構造を構成する複数の円孔は、前記基準方向において、円孔の直径が第２の幅ずつ減少するように構成されている、
光偏向デバイス。
【請求項２】
基準の円孔の直径を２ｒ、前記第１の幅を２Δｒ１、前記第２の幅を２Δｒ２、ｎを０以上の整数としたとき、
前記第１の周期構造が備える円孔の直径２ｒ１は２（ｒ＋ｎ・Δｒ１）であり、
前記第２の周期構造が備える円孔の直径２ｒ２は２（ｒ−ｎ・Δｒ２）であることを特徴とする請求項１に記載の光偏向デバイス。
【請求項３】
前記第１の幅である２Δｒ１及び前記第２の幅である２Δｒ２は、同一の幅２Δｒであることを特徴とする請求項２に記載の光偏向デバイス。
【請求項４】
前記第１の周期構造が備える円孔の面積増加分と前記第２の周期構造が備える円孔の面積減少分は同量であることを特徴とする請求項２に記載の光偏向デバイス。
【請求項５】
前記Δｒ１、前記Δｒ２、及び前記ｒは、
（ｒ＋Δｒ１）２−ｒ２＝ｒ２−（ｒ−Δｒ２）２
の関係を備えること特徴とする、請求項２に記載の光偏向デバイス。
【請求項６】
前記Δｒ１と前記Δｒ２の比率ｋ（＝Δｒ１／Δｒ２）は、前記ｒに対して、
ｋ２＋（２ｒ／Δｒ２）・ｋ＝（２ｒ／Δｒ２）−１
又は
（１＋２ｒ／Δｒ１）ｋ２−（２ｒ／Δｒ１）・ｋ＝−１
の関係を備えること特徴とする、請求項２に記載の光偏向デバイス。
【請求項７】
前記導波路の伝搬光の伝搬方向に対する伝搬光強度分布Ｐ、
前記導波路から面外に放射される放射光の伝搬方向に対する放射係数Ｂ、
及び
前記導波路から放射される光強度の伝搬方向に対する光放射分布Ｘは、
Ｂ＝Ｘ／Ｐ
の関係を備え、
前記Δｒは、前記放射係数Ｂと前記Δｒとの関係において前記放射係数Ｂに対応する値であることを特徴とする、請求項３に記載の光偏向デバイス。
【請求項８】
前記光放射分布Ｘはガウス分布であることを特徴とする、請求項７に記載の光偏向デバイス。
【請求項９】
請求項１から８の何れか一つに記載の光偏向デバイスと、
波長が異なる複数のレーザ光を発するレーザ光源と、
レーザ光を個別に検出する光検出部とを備え、
前記光偏向デバイスは、
前記レーザ光源が発する複数波長のレーザ光を、当該各レーザ光の波長及び導波路の屈折率で定まる各偏向角の方向に同時に並列して出射する出射器、
及び
外部から到達する複数波長のレーザ光の内、入射角が前記偏向角であるレーザ光を選択的に同時に並列して入射する入射器を同一素子または別素子で構成し、
前記光検出部は、
前記入射器において、前記出射器で出射されたレーザ光と同一の偏向角の入射角で入射した各波長のレーザ光を個別に検出することを特徴とするライダー装置。
【国際調査報告】
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