(57)【要約】  光デバイスは、第１のミラーと、前記第１のミラーに対向する第２のミラーと、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間に位置する光導波層であって、電圧が印加されたときに屈折率が変化する材料を含む光導波層と、前記光導波層を直接的または間接的に挟む第１電極および第２電極であって、前記第１電極は前記第１の方向に並ぶ複数の電極部を含む、第１電極および第２電極と、制御回路と、を備える。前記光導波層から前記第１のミラーを介して前記光が出射する、または、前記第１のミラーを介して前記光導波層に前記光が取り込まれる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向に延びる第１のミラーと、
前記第１のミラーに対向し、前記第１の方向に延びる第２のミラーと、
前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間に位置し、光を前記第１の方向に沿って伝搬させる光導波層であって、電圧が印加されたときに屈折率が変化する材料を含む光導波層と、
前記光導波層を直接的または間接的に挟む第１電極および第２電極であって、前記第１電極は前記第１の方向に並ぶ複数の電極部を含む、第１電極および第２電極と、
前記第１電極における前記複数の電極部の各々と、前記第２電極との間に印加する電圧を制御する制御回路と、を備え、
前記光導波層から前記第１のミラーを介して前記光が出射する、または、前記第１のミラーを介して前記光導波層に前記光が取り込まれる、光デバイス。
【請求項２】
前記制御回路は、前記複数の電極部の各々と前記第２電極との間に印加する電圧の値を、前記第１のミラーに垂直な方向から見た場合に前記複数の電極部にそれぞれ重なる前記光導波層の複数の部分から同一の出射角度で光が出射する値に設定する、請求項１に記載の光デバイス。
【請求項３】
前記光導波層のうち、前記複数の電極部におけるｋ番目（ｋは２以上の整数）の電極部に重なる部分の屈折率をｎｗｋとし、前記部分の厚さをｄｋとし、
前記光導波層を伝搬する光の空気中における波長をλとし、
前記光導波層を伝搬する光のモード数をｍとするとき、
前記制御回路は、前記複数の電極部の各々と前記第２電極との間に印加する電圧の値を、前記光導波層の前記複数の部分のすべてにおいて、（ｎｗｋ）２−（ｍλ／２ｄｋ）２が等しくなる値に設定する、請求項１に記載の光デバイス。
【請求項４】
前記制御回路は、光の出射角度と、前記第１電極における前記複数の電極部の各々と前記第２電極との間に印加する電圧を示すデータを参照して、前記第１電極における前記複数の電極部の各々と前記第２電極との間に印加する電圧の値を決定する、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】
前記複数の電極部の各々と前記第２電極との間に印加する前記電圧は、第１電圧成分および第２電圧成分の和であり、
前記制御回路は、
前記第１電圧成分を、電極部によらず、前記第１のミラーを介して出射される前記光の出射角度に応じた一律の値に設定し、
前記第２電圧成分を、前記光導波層の前記複数の部分の各々の厚さに応じた値に設定する、請求項１から４のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項６】
温度センサをさらに備え、
前記制御回路は、
前記複数の電極部の各々と前記第２電極との間に印加する前記電圧を、前記温度センサによって計測された温度に応じた値に設定する、請求項１から４のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項７】
前記第２電極に前記光導波層を挟んで対向する第３電極をさらに備える、
請求項１に記載の光デバイス。
【請求項８】
温度センサをさらに備え、
前記制御回路は、前記第２電極と前記第３電極との間に印加する電圧を、前記温度センサによって計測された温度に応じた値に設定する、請求項７に記載の光デバイス。
【請求項９】
前記複数の電極部のうち、隣り合う任意の２つの電極部は、各電極部の表面に平行でかつ前記第１の方向に直交する方向から見たとき、重なる部分を有している、請求項１から８のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項１０】
前記複数の電極部は、前記第１の方向、および前記第１の方向に交差する第２の方向に並ぶ、請求項１から８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む、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】
前記制御回路は、前記複数の電極部の各々と前記第２電極との間に印加する前記電圧を制御することにより、前記光導波層から前記第１のミラーを介して出射される前記光の方向および形状を制御する、請求項１から１１のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項１３】
前記第１の方向に交差する第２の方向に配列された複数の光導波路ユニットであって、各々が、前記第１のミラーと、前記第２のミラーと、前記光導波層と、前記第１電極および前記第２電極とを含む複数の光導波路ユニットと、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１４】
前記複数の光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光導波路を介して繋がる光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、前記光導波層から前記第１のミラーを介して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１３に記載の光デバイス。
【請求項１５】
請求項１から１４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、光デバイスおよび光検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光で空間を走査（スキャン）できる種々のデバイスが提案されている。【０００３】
特許文献１および特許文献４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光導波路によってそれぞれのアンテナ素子に誘導され、位相シフタによって光ビームの位相がシフトされる。これにより、遠視野放射パターンの振幅分布を変化させることができる。【０００５】
特許文献３は、内部を光が導波する光導波層、および光導波層の上面および下面に形成された第１分布ブラッグ反射鏡を備える光導波路と、光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光導波路内を導波する光を出射させるために光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
【特許文献４】米国特許出願公開２０１６／０２４５９０３号
【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の方向に延びる第１のミラーと、前記第１のミラーに対向し、前記第１の方向に延びる第２のミラーと、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間に位置し、光を前記第１の方向に沿って伝搬させる光導波層であって、電圧が印加されたときに屈折率が変化する材料を含む光導波層と、前記光導波層を直接的または間接的に挟む第１電極および第２電極であって、前記第１電極は前記第１の方向に並ぶ複数の電極部を含む、第１電極および第２電極と、前記第１電極における前記複数の電極部の各々と、前記第２電極との間に印加する電圧を制御する制御回路と、を備える。前記光導波層から前記第１のミラーを介して前記光が出射する、または、前記第１のミラーを介して前記光導波層に前記光が取り込まれる。【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つの光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３Ａ】図３Ａは、光導波路アレイの出射面に垂直な方向に光を出射する光導波路アレイの断面を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、光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光導波路アレイの断面を示す図である。
【図４】図４は、３次元空間における光導波路アレイを模式的に示す斜視図である。
【図５】図５は、光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６Ａ】図６Ａは、下部構造体と上部構造体との貼りあわせによって作製された光デバイスの例を模式的に示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、光デバイスから出射される光のスポットの例を模式的に示す図である。
【図７】図７は、本実施形態における光デバイスの例を模式的に示す図である。
【図８Ａ】図８Ａは、光導波層の厚さと、出射角度との関係を示す図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、光導波層の屈折率と、出射角度との関係を示す図である。
【図９】図９は、制御回路の動作のフローチャートである。
【図１０】図１０は、図７に示す光デバイスの変形例を模式的に示す図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、複数の電極部のＸＹ平面での配置の例を模式的に示す図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、複数の電極部のＸＹ平面での配置の例を模式的に示す図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、複数の電極部のＸＹ平面での配置の例を模式的に示す図である。
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、複数の電極部のＸＹ平面での配置の例を模式的に示す図である。
【図１２】図１２は、回路基板上に光分岐器、光導波路アレイ、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１３】図１３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１４】図１４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光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光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。光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、複数の光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、複数の光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、複数の光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つまたはすべてを制御して光の出射方向を変化させてもよい。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光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】
本明細書において、「光ビームの形状」とは、「光ビームの形状および／または広がり角」を意味する。
【００２２】
＜光スキャンデバイスの構成例＞
以下、一例として、２次元スキャンを行う光スキャンデバイスの構成を説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明および実質的に同一の構成に対する重複する説明を省略することがある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、本発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。以下の説明において、同一または類似する構成要素については、同じ参照符号を付している。
【００２３】
本開示において、「光」とは、可視光（波長が約４００ｎｍ〜約７００ｎｍ）だけでなく、紫外線（波長が約１０ｎｍ〜約４００ｎｍ）および赤外線（波長が約７００ｎｍ〜約１ｍｍ）を含む電磁波を意味する。本明細書において、紫外線を「紫外光」と称し、赤外線を「赤外光」と称することがある。
【００２４】
本開示において、光による「スキャン」とは、光の方向を変化させることを意味する。「１次元スキャン」とは、光の方向を、当該方向に交差する方向に沿って直線的に変化させることを意味する。「２次元スキャン」とは、光の方向を、当該方向に交差する平面に沿って２次元的に変化させることを意味する。
【００２５】
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。
【００２６】
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、複数の光導波路素子１０を含む光導波路アレイを備える。複数の光導波路素子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。複数の光導波路素子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。複数の光導波路素子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、複数の光導波路素子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。
【００２７】
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。
【００２８】
複数の光導波路素子１０のそれぞれは、互いに対向する第１のミラー３０および第２のミラー４０（以下、それぞれを単に「ミラー」と称する場合がある）と、ミラー３０とミラー４０の間に位置する光導波層２０とを有する。ミラー３０およびミラー４０の各々は、第３の方向Ｄ３に交差する反射面を、光導波層２０との界面に有する。ミラー３０およびミラー４０、ならびに光導波層２０は、第１の方向（Ｘ方向）に延びた形状を有している。
【００２９】
なお、複数の光導波路素子１０の複数の第１のミラー３０は、一体に構成されたミラーの複数の部分であってもよい。また、複数の光導波路素子１０の複数の第２のミラー４０は、一体に構成されたミラーの複数の部分であってもよい。さらに、複数の光導波路素子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、複数の光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。
【００３０】
第１のミラー３０の反射面と第２のミラー４０の反射面とは略平行に対向している。２つのミラー３０およびミラー４０のうち、少なくとも第１のミラー３０は、光導波層２０を伝搬する光の一部を透過させる特性を有する。言い換えれば、第１のミラー３０は、当該光について、第２のミラー４０よりも高い光透過率を有する。このため、光導波層２０を伝搬する光の一部は、第１のミラー３０から外部に出射される。このようなミラー３０および４０は、例えば誘電体による多層膜（「多層反射膜」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。
【００３１】
それぞれの光導波路素子１０に入力する光の位相を制御し、さらに、これらの光導波路素子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。
【００３２】
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、光導波路素子１０の動作原理について分析を行った。その結果に基づき、複数の光導波路素子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。
【００３３】
図１に示すように、各光導波路素子１０に光を入力すると、各光導波路素子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、各光導波路素子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、複数の光導波路素子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。
【００３４】
さらに、複数の光導波路素子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。それぞれの光導波路素子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光導波路素子１０がＹ方向に等間隔で並んでいる場合、複数の光導波路素子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、複数の光導波路素子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。
【００３５】
以下、光スキャンデバイス１００の動作原理を説明する。
【００３６】
＜光導波路素子の動作原理＞
図２は、１つの光導波路素子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、光導波路素子１０のＸＺ面に平行な断面が模式的に示されている。光導波路素子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。
【００３７】
通常の光ファイバーなどの光導波路では、全反射を繰り返しながら光が光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光導波路素子１０では、光は光導波層２０の上下に配置されたミラー３０および４０によって反射を繰り返しながら伝搬する。このため、光の伝搬角度に制約がない。ここで光の伝搬角度とは、ミラー３０またはミラー４０と光導波層２０との界面への入射角度を意味する。ミラー３０またはミラー４０に対して、より垂直に近い角度で入射する光も伝搬できる。すなわち、全反射の臨界角よりも小さい角度で界面に入射する光も伝搬できる。このため、光の伝搬方向における光の群速度は自由空間における光速に比べて大きく低下する。これにより、光導波路素子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。このような光導波路を、「反射型光導波路」または「スローライト光導波路」と称する。
【００３８】
光導波路素子１０から空気中に出射される光の出射角度θは、以下の式（１）によって表される。
【数１】
2020084869.tif 000003
【００３９】
式（１）からわかるように、空気中での光の波長λ、光導波層２０の屈折率ｎｗおよび光導波層２０の厚さｄのいずれかを変えることで光の出射方向を変えることができる。
【００４０】
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。
【００４１】
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光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。
【００４２】
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、各光導波路素子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。
【００４３】
以上のように、光導波路素子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、光導波路素子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つの光導波路素子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。
【００４４】
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。
【００４５】
光導波層２０の厚さを調整するために、例えば、第１のミラー３０および第２のミラー４０の少なくとも一方に少なくとも１つのアクチュエータが接続されてもよい。少なくとも１つのアクチュエータによって第１のミラー３０と第２のミラー４０との距離を変化させることにより、光導波層２０の厚さを変化させることができる。光導波層２０が液体から形成されていれば、光導波層２０の厚さは容易に変化し得る。
【００４６】
＜２次元スキャンの動作原理＞
複数の光導波路素子１０が一方向に配列された光導波路アレイにおいて、それぞれの光導波路素子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。各光導波路素子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。
【００４７】
図３Ａは、光導波路アレイの出射面に垂直な方向に光を出射する光導波路アレイの断面を示す図である。図３Ａには、各光導波路素子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、左端の光導波路素子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光導波路アレイは、等間隔に配列された複数の光導波路素子１０を含んでいる。図３Ａにおいて、破線の円弧は、各光導波路素子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、光導波路アレイから出射される光の方向（すなわち、波数ベクトルの方向）を示している。図３Ａの例では、各光導波路素子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、光は光導波路素子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。
【００４８】
図３Ｂは、光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光導波路アレイの断面を示す図である。図３Ｂに示す例では、複数の光導波路素子１０における光導波層２０を伝搬する光の位相が、配列方向に一定量（Δφ）ずつ異なっている。この場合、光は、Ｚ方向とは異なる方向に出射される。このΔφを変化させることにより、光の波数ベクトルのＹ方向の成分を変化させることができる。隣接する２つの光導波路素子１０の間の中心間距離をｐとすると、光の出射角度α０は、以下の式（２）によって表される。
【数２】
2020084869.tif 000004
【００４９】
図２に示す例では、光の出射方向は、ＸＺ平面に平行である。すなわち、α０＝０°である。図３Ａおよび図３Ｂに示す例では、光スキャンデバイス１００から出射される光の方向は、ＹＺ平面に平行である。すなわち、θ＝０°である。しかし、一般には、光スキャンデバイス１００から出射される光の方向は、ＸＺ平面にも、ＹＺ平面にも平行ではない。すなわち、θ≠０°およびα０≠０°である。
【００５０】
図４は、３次元空間における光導波路アレイを模式的に示す斜視図である。図４に示す太い矢印は、光スキャンデバイス１００から出射される光の方向を表す。θは、光の出射方向とＹＺ平面とがなす角度である。θは式（１）を満たす。α０は、光の出射方向とＸＺ平面とがなす角度である。α０は式（２）を満たす。
【００５１】
＜光導波路アレイに導入する光の位相制御＞
それぞれの光導波路素子１０から出射される光の位相を制御するために、例えば、光導波路素子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、複数の光導波路素子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、複数の光導波路素子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光導波路を介して繋がる光導波路を含む。第２調整素子は、複数の位相シフタから複数の光導波路素子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、複数の光導波路素子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、光導波路アレイと同様に、配列された複数の位相シフタを「位相シフタアレイ」と称することがある。
【００５２】
図５は、光導波路アレイ１０Ａおよび位相シフタアレイ８０Ａを、光出射面の法線方向（Ｚ方向）から見た模式図である。図５に示す例では、すべての位相シフタ８０が同じ伝搬特性を有し、すべての光導波路素子１０が同じ伝搬特性を有する。それぞれの位相シフタ８０およびそれぞれの光導波路素子１０は同じ長さであってもよいし、長さが異なっていてもよい。それぞれの位相シフタ８０の長さが等しい場合は、例えば、駆動電圧によってそれぞれの位相シフト量を調整することができる。また、それぞれの位相シフタ８０の長さを等ステップで変化させた構造にすることで、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、各光導波路素子１０を駆動する第１駆動回路１１０と、各位相シフタ８０を駆動する第２駆動回路２１０とをさらに備える。図５に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。
【００５３】
第１駆動回路１１０は、各光導波路素子１０における光導波層２０の屈折率および厚さの少なくとも一方を変化させることにより、光導波層２０から出射する光の角度を変化させる。第２駆動回路２１０は、各位相シフタ８０における光導波路２０ａの屈折率を変化させることにより、光導波路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光導波路で構成してもよいし、光導波路素子１０と同様の反射型光導波路で構成してもよい。
【００５４】
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に至るまでの光導波路の長さを調整することによるパッシブな位相制御構造を用いることができる。あるいは、位相シフタ８０と同様の機能を有する電気信号で制御可能な位相シフタを用いてもよい。このような方法により、例えば、すべての位相シフタ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。
【００５５】
上記の光スキャンデバイス１００と同様の構成を有する光デバイスは、光受信デバイスとしても利用できる。光デバイスの動作原理、および動作方法などの詳細は、米国特許出願公開第２０１８／０２２４７０９号に開示されている。この文献の開示内容全体を本明細書に援用する。
【００５６】
＜光導波層の不均一な厚さ＞
光デバイス１００は、例えば下部構造体と上部構造体との貼りあわせによって作製され得る。
【００５７】
図６Ａは、下部構造体１００ａと上部構造体１００ｂとの貼りあわせによって作製された光デバイス１００の例を模式的に示す図である。下部構造体１００ａは、基板５０ａと、基板５０ａ上の電極６２ａと、電極６２ａ上のミラー４０とを備える。上部構造体１００ｂは、基板５０ｂと、基板５０ｂ上の電極６２ｂと、電極６２ｂ上のミラー３０とを備える。下部構造体１００ａと上部構造体１００ｂとを、不図示の支持部材を介して貼り合わせることにより、図６Ａに示す光デバイス１００が作製され得る。光デバイス１００の光導波路素子１０は、ミラー３０と、ミラー４０と、光導波層２０とを備える。光導波層２０をＸ方向に沿って伝搬する光の一部は、上部構造体１００ｂを介して出射される。
【００５８】
光導波層２０は、電圧が印加されたときに屈折率が変化する材料を含み得る。光導波層２０は、例えば、液晶材料または電気光学材料を含む。一対の電極６２ａおよび電極６２ｂに電圧を印加することにより、光導波層２０の屈折率ｎｗを変化させることができる。これにより、光デバイス１００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。
【００５９】
本発明者らは、下部構造体１００ａと上部構造体１００ｂとの貼り合わせによって光デバイス１００を製造する場合、以下の課題が生じ得ることを見出した。製造誤差、または基板５０ａおよび基板５０ｂの少なくとも一方の反りにより、ミラー３０とミラー４０とが平行にならないことがある。この場合、光導波層２０の厚さｄが、不均一になる。このため、光デバイス１００から出射される光の出射角度が不均一になり得る。その結果、出射光のスポットサイズが広がり得る。
【００６０】
図６Ｂは、光デバイス１００から出射される光のスポットの例を模式的に示す図である。図６Ｂの左図は、光導波層２０の厚さｄが均一であるときの光のスポット３１０ａを示す。図６Ｂの右図は、光導波層２０の厚さｄが不均一であるときの光のスポット３１０ｂを示す。図６Ｂに示すように、光導波層２０の厚さｄが不均一になると、光のスポットは広がり、光のスポットサイズは、最小にならない。このため、光デバイス１００から出射される光の強度が低下し得る。その結果、遠距離の対象物をスキャンすることが容易ではなくなる。
【００６１】
本発明者らは、以上の検討に基づき、以下の項目に記載の光デバイスに想到した。
【００６２】
第１の項目に係る光デバイスは、第１の方向に延びる第１のミラーと、前記第１のミラーに対向し、前記第１の方向に延びる第２のミラーと、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間に位置し、光を前記第１の方向に沿って伝搬させる光導波層であって、電圧が印加されたときに屈折率が変化する材料を含む光導波層と、前記光導波層を直接的または間接的に挟む第１電極および第２電極であって、前記第１電極は前記第１の方向に並ぶ複数の電極部を含む、第１電極および第２電極と、前記第１電極における前記複数の電極部の各々と、前記第２電極との間に印加する電圧を制御する制御回路と、を備える。前記光導波層から前記第１のミラーを介して前記光が出射する、または、前記第１のミラーを介して前記光導波層に前記光が取り込まれる。前記第１のミラーの光透過率は、前記第２のミラーの光透過率よりも高くてもよい。
【００６３】
この光デバイスでは、第１電極における複数の電極部の各々と、第２電極との間に印加する電圧を制御することにより、第１のミラーに垂直な方向から見た場合に複数の電極部にそれぞれ重なる光導波層の複数の部分の各々から出射される光を独立して制御することができる。
【００６４】
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、前記制御回路が、前記複数の電極部の各々と前記第２電極との間に印加する電圧の値を、前記第１のミラーに垂直な方向から見た場合に前記複数の電極部にそれぞれ重なる前記光導波層の複数の部分から同一の出射角度で光が出射する値に設定する。
【００６５】
この光デバイスでは、出射光のスポットの広がりを最小にすることができる。
【００６６】
第３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、前記光導波層のうち、前記複数の電極部におけるｋ番目（ｋは２以上の整数）の電極部に重なる部分の屈折率をｎｗｋとし、前記部分の厚さをｄｋとし、前記光導波層を伝搬する光の空気中における波長をλとし、前記光導波層を伝搬する光のモード数をｍとするとき、前記制御回路が、前記複数の電極部の各々と前記第２電極との間に印加する電圧の値を、前記光導波層の前記複数の部分のすべてにおいて、（ｎｗｋ）２−（ｍλ／２ｄｋ）２が等しくなる値に設定する。
【００６７】
この光デバイスでは、第３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。
【００６８】
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、前記制御回路が、光の出射角度と、前記第１電極における前記複数の電極部の各々と前記第２電極との間に印加する電圧を示すデータを参照して、前記第１電極における前記複数の電極部の各々と前記第２電極との間に印加する電圧の値を決定する。
【００６９】
この光デバイスでは、上記のデータを参照することにより、第１電極における複数の電極部の各々と第２電極との間に印加する電圧の値を容易に決定することができる。
【００７０】
第５の項目に係る光デバイスは、第１から第４の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記複数の電極部の各々と前記第２電極との間に印加する前記電圧が、第１電圧成分および第２電圧成分の和である。前記制御回路は、前記第１電圧成分を、電極部によらず、前記第１のミラーを介して出射される前記光の出射角度に応じた一律の値に設定し、前記第２電圧成分を、前記光導波層の前記複数の部分の各々の厚さに応じた値に設定する。
【００７１】
この光デバイスでは、第１電圧成分によって出射光の出射角度が決定され、第２電圧成分によって出射光のスポットの広がりが調整される。
【００７２】
第６の項目に係る光デバイスは、第１から第４の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、温度センサをさらに備える。前記制御回路は、前記複数の電極部の各々と前記第２電極との間に印加する前記電圧を、前記温度センサによって計測された温度に応じた値に設定する。
【００７３】
この光デバイスでは、温度変化による出射角度の変化、および出射光のスポットの広がりを低減することができる。
【００７４】
第７の項目に係る光デバイスは、第１の項目に係る光デバイスにおいて、前記第２電極に前記光導波層を挟んで対向する第３電極をさらに備える。
【００７５】
この光デバイスでは、第１電極と第２電極とを介して光導波層に電圧を印加することができるだけでなく、第２電極と第３電極とを介して光導波層に電圧を印加することができる。
【００７６】
第８の項目に係る光デバイスは、第７の項目に係る光デバイスにおいて、温度センサをさらに備える。前記制御回路は、前記第２電極と前記第３電極との間に印加する電圧を、前記温度センサによって計測された温度に応じた値に設定する。
【００７７】
この光デバイスでは、第２電極と第３電極との間に電圧を印加することにより、出射光の方向を変化させることができ、かつ温度変化による出射角度の変化、および出射光のスポットの広がりを低減することができる。
【００７８】
第９の項目に係る光デバイスは、第１から第８の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記複数の電極部のうち、隣り合う任意の２つの電極部が、各電極部の表面に平行でかつ前記第１の方向に直交する方向から見たとき、重なる部分を有している。
【００７９】
この光デバイスでは、各電極部の表面に平行でかつ第１の方向に直交する方向から見たとき、光導波層には、第１の方向において電圧が印加されない部分が存在しない。その結果、電極部間のギャップの影響を低減することができる。
【００８０】
第１０の項目に係る光デバイスは、第１から第８の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記複数の電極部が、前記第１の方向、および前記第１の方向に交差する第２の方向に並ぶ。
【００８１】
この光デバイスでは、光導波層の厚さが、第１の方向だけでなく、第２の方向においても不均一である場合に有効である。
【００８２】
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む。
【００８３】
この光デバイスでは、液晶材料または電気光学材料を含む光導波層に電圧を印加することにより、出射光の方向、およびスポットの広がりを調整することができる。
【００８４】
第１２の項目に係る光デバイスは、第１から第１１の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記制御回路が、前記複数の電極部の各々と前記第２電極との間に印加する前記電圧を制御することにより、前記光導波層から前記第１のミラーを介して出射される前記光の方向および形状を制御する。
【００８５】
この光デバイスでは、制御回路の上記の動作により、第１のミラーを介して出射される光の方向および形状を調整することができる。
【００８６】
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、前記第１の方向に交差する第２の方向に配列された複数の光導波路ユニットであって、各々が、前記第１のミラーと、前記第２のミラーと、前記光導波層と、前記第１電極および前記第２電極とを含む複数の光導波路ユニットと、を備える。複数の光導波路ユニットの各々が、前記制御回路を備えていてもよい。
【００８７】
この光デバイスでは、第２の方向に配列された複数の光導波路ユニットから光が出射される。
【００８８】
第１４の項目に係る光デバイスは、第１３の項目に係る光デバイスにおいて、前記複数の光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光導波路を介して繋がる光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、前記光導波層から前記第１のミラーを介して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。
【００８９】
この光デバイスでは、複数の位相シフタにより、第１のミラーを介して出射される光の方向、または第１のミラーを介して光導波層に取り込まれる光の入射方向のうち、第２の方向に平行な成分を変化させることができる。
【００９０】
第１５の項目に係る光検出システムは、第１から第１４の項目のいずれかに係る光デバイスと、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。
【００９１】
この光検出システムでは、対象物の距離分布データを生成することができる。
【００９２】
（実施形態１）
図７は、本実施形態における光デバイス１００の例を模式的に示す図である。本実施形態における光デバイス１００は、基板５０ａと、基板５０ｂと、ミラー３０と、ミラー４０と、光導波層２０と、電極６２ａおよび電極６２ｂと、制御回路５００とを備える。
【００９３】
ミラー３０およびミラー４０は、Ｘ方向に延びた構造を有する。ミラー４０は、ミラー３０に対向する。光導波層２０は、ミラー３０とミラー４０との間に位置し、光をＸ方向に沿って伝搬させる。ミラー３０の光透過率は、ミラー４０の光透過率よりも高い。本実施形態における光デバイス１００では、光導波層２０からミラー３０を介して光が出射される。光デバイス１００が受信デバイスとして使用される場合、後述するように、ミラー３０を介して光導波層２０に光が取り込まれる。
【００９４】
光導波層２０は、電圧が印加されたときに屈折率が変化する材料を含む。光導波層２０は、例えば、液晶材料または電気光学材料を含む。
【００９５】
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
【００９６】
ここで、Ｒ１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何れか一つを表す。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何れか一つを表す。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何れか一つを表す。
【００９７】
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、不斉炭素などのキラル中心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。
【００９８】
ＳｍＣ＊相の分子構造は、以下のように表される。
【化１】
2020084869.tif 000005
【００９９】
Ｒ１、Ｒ４は、それぞれ独立して、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何れか一つである。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何れか一つである。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何れか一つである。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何れか一つである。Ｒ３、Ｒ４、およびＲ５は、互いに異なる官能基である。
【０１００】
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。
【０１０１】
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、ＳｒＴｉＯ３、Ｐｂ３ＭｇＮｂ２Ｏ９、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
【０１０２】
電極６２ａおよび電極６２ｂは、光導波層２０を直接的または間接的に挟む。図７に示す例では、光導波層２０と電極６２ａとの間にミラー４０があり、光導波層２０と電極６２ｂとの間にミラー３０がある。電極６２ａは基板５０ａ上にあり、電極６２ｂは、基板５０ｂ上にある。電極６２ａと電極６２ｂとの間に電圧を印加することにより、光導波層２０からミラー３０を介して出射される光の方向が変化する。光デバイス１００が受信デバイスとして機能する場合、電極６２ａと電極６２ｂとの間に電圧を印加することにより、ミラー３０を介して光導波層２０に取り込まれる光の方向が変化する。電極６２ａおよび電極６２ｂの少なくとも一方は、ＩＴＯなどの透明電極から形成され得る。
【０１０３】
前述したように、製造誤差、または基板５０ａおよび基板５０ｂの少なくとも一方の反りにより、ミラー３０とミラー４０とが平行ではないことがある。例えば、光導波層２０の厚さが、Ｘ方向に沿って徐々に増加したり、減少したりすることがある。あるいは、光導波層２０の厚さが、特定の箇所で厚くなったり、薄くなったりすることがある。式（１）からわかるように、光導波層２０の厚さが不均一である場合、光導波層２０からミラー３０を介して出射される光の出射角度も不均一になる。その結果、光デバイス１００から出射される光のスポットが広がり得る。
【０１０４】
そこで、本実施形態における光デバイス１００では、電極６２ａおよび電極６２ｂの少なくとも一方が、複数の部分に分割されている。以下、当該複数の部分を、「複数の電極部」と称する。図７に示す例では、電極６２ａが、Ｘ方向に並ぶ複数の電極部に分割されている。複数の電極部の配置の詳細については、後述する。電極６２ａにおける複数の電極部の各々と、電極６２ｂとの間に個別に電圧を印加することにより、Ｚ方向から見た場合に、電極６２ａにおける複数の電極部にそれぞれ重なる光導波層２０の複数の部分の各々の屈折率を調整することができる。これにより、光導波層２０の不均一な厚さが光デバイス１００から出射される光の出射角度に及ぼす影響を抑制することができる。その結果、出射光のスポットの広がりが低減される。
【０１０５】
本明細書では、電極６２ａにおける複数の電極部の各々と、電極６２ｂとの間に電圧を印加することを、「複数の電極部の各々に電圧を印加する」と表現することがある。さらに、Ｚ方向から見た場合に、電極６２ａにおける複数の電極部にそれぞれ重なる光導波層２０の複数の部分を、単に「光導波層２０の複数の部分」と称することがある。
【０１０６】
制御回路５００は、光導波層２０の不均一な厚さの影響を抑制するために、複数の電極部の各々に印加する電圧を制御する。以下に、制御回路５００の具体的な動作を説明する。
【０１０７】
光導波層２０の複数の部分のうち、−Ｘ方向の端から数えてｋ番目の部分の屈折率をｎｗｋと表し、当該部分の厚さをｄｋとして表す。ここでｋは２以上の整数である。光導波層２０の複数の部分からミラー３０を介して出射される光が、同一の出射角度θで出射される条件は、式（１）から得られる。当該条件は、（ｎｗｋ）２−（ｍλ／２ｄｋ）２が、光導波層２０の複数の部分のすべてにおいて、ｓｉｎ２θに等しいことである。したがって、制御回路５００は、当該条件を満たすように、複数の電極部の各々に印加する電圧の値を決定する。このように、制御回路５００は、光導波層２０の複数の部分の各々の厚さに応じた電圧を、複数の電極部の各々に印加する。
【０１０８】
上記の条件を満たすように、光導波層２０の複数の部分の各々の屈折率は、以下のように調整され得る。簡単のために、光導波層２０の２つの部分において、一方の部分の厚さがｄ＝６００ｎｍであり、他方の部分の厚さがｄ＝６２０ｎｍである例を説明する。図８Ａは、光導波層２０の厚さｄと、出射角度θとの関係を示す図である。図８Ｂは、光導波層２０の屈折率ｎｗと、出射角度θとの関係を示す図である。
【０１０９】
図８Ａに示すように、上記の一方の部分においてｎｗ＝１．５、ｄ＝６００ｎｍ、λ＝１５５０ｎｍ、ｍ＝１のとき、当該部分から出射される光の出射角度は、式（１）からθ＝４９．７°である。このとき、上記の他方の部分から出射される光の出射角度は、θ＝５６．０°である。その結果、上記の２つの部分の間では、出射光の出射角度が６．３°広がってしまう。
【０１１０】
そこで、図８Ｂに示すように、上記の他の部分において、屈折率が、ｎｗ＝１．５からｎｗ＝１．４６４５になるように調整される。これにより、当該部分から出射される光の出射角度は、θ＝４９．７°になる。このように、上記の一方の部分の屈折率がｎｗ＝１．５になるように電圧を印加し、上記の他方の部分の屈折率がｎｗ＝１．４６４５になるように電圧を印加することにより、出射角度θが一定になる。これにより、出射光のスポットの広がりが小さくなる。
【０１１１】
光導波層２０の複数の部分の各々の厚さは、光デバイス１００を作製した後、測定によって得られる既知の情報である。出射すべき光の角度、および光導波層２０の各部分の厚さに応じて、その部分に重なる電極部に与えられる電圧の値が決定される。例えば、光デバイス１００を作製した後、各電極部に印加する電圧を変化させながら、光の出射角度を測定する試験が実施され得る。そのような試験により、各電極部の電圧値と、光の出射角度との関係を示すデータベースを作成することができる。
【０１１２】
本実施形態では、出射すべき光の角度と、複数の電極部の各々に印加すべき電圧との関係を示すデータが、不図示のメモリに記録される。所望の出射角度をθとして、当該電圧は、光導波層２０の複数の部分のすべてにおいて、（ｎｗｋ）２−（ｍλ／２ｄｋ）２＝ｓｉｎ２θという条件を満たすように設定され得る。表１は、当該データの例を示す。
【０１１３】
【表１】
2020084869.tif 000006
【０１１４】
表１に示す例では、出射角度θａで光を出射させる場合、１番目の電極部から５番目の電極部に印加する電圧は、それぞれＶａ１からＶａ５である。出射角度θｂおよび出射角度θｃについても同様である。制御回路５００は、表１に示すデータを参照して、複数の電極部の各々に印加する電圧を決定する。
【０１１５】
表１に示すデータは、例えば以下のようにして取得され得る。
【０１１６】
光デバイス１００の前に、スクリーンが配置される。当該スクリーンには、光デバイス１００から出射された光のスポットが投影される。制御回路５００は、複数の電極部の各々に、電極部によらない一律の電圧成分を印加する。当該スクリーンに投影された光のスポットから、出射光の出射角度が決定される。次に、制御回路５００は、複数の電極部の各々に、当該一律の電圧成分に加えて、個々の電圧成分を印加する。制御回路５００は、当該スクリーンに投影される光のスポットの広がりを最小にする個々の電圧成分を決定する。当該一律の電圧成分、および当該個々の電圧成分の和が、複数の電極部の各々に印加する電圧である。この方法では、（ｎｗｋ）２−（ｍλ／２ｄｋ）２＝ｓｉｎ２θの数式を用いることなく、表１に示すデータを取得することができる。
【０１１７】
図９は、スクリーンに投影された光のスポットから表１に示すデータを取得するための、制御回路５００の動作のフローチャートである。
【０１１８】
ステップＳ１０１では、制御回路５００は、複数の電極部の各々に、一律の電圧成分を印加して、光デバイス１００から出射された光をスクリーンに投影する。
【０１１９】
ステップＳ１０２では、制御回路５００は、スクリーンに投影された光のスポットから出射角度を決定する。
【０１２０】
ステップＳ１０３では、制御回路５００は、複数の電極部の各々に、用意した組み合わせの中から、順番に個々の電圧成分を印加し、スクリーンに投影された光のスポットの広がりを記録する。例えば、電極６２ａにおけるＮ個の電極部のうちの−Ｘ方向から数えてｋ番目の電極部に、ΔＶごとに、−ＭΔＶからＭΔＶまでの（２Ｍ＋１）通りの電圧が印加される。ここでＮおよびＭは１以上の整数である。このとき、Ｎ個の電極部の各々に印加する個々の電圧の組み合わせの数は、（２Ｍ＋１）のＮ乗である。当該組み合わせの中から、光のスポットの中心位置を変化させる個々の電圧は除外される。例えば、複数の電極部の各々に印加される個々の電圧がすべて同じとき、光のスポットの中心位置が変化し得る。
【０１２１】
ステップＳ１０４では、制御回路５００は、記録された光のスポットの広がりの中から、最小の広がりのときの個々の電圧成分を決定する。光のスポットの広がりの記録、および光のスポットの最小の広がりの決定には、公知の画像認証技術を用いてもよい。
【０１２２】
ステップＳ１０５では、制御回路５００は、一律の電圧成分および個々の電圧成分を合算して、複数の電極部の各々に印加する電圧を決定する。
【０１２３】
以上のように、ステップＳ１０２において決定された出射角度と、ステップＳ１０５において決定された電圧から、表１に示すデータを取得することができる。
【０１２４】
前述した例では、制御回路５００は、１つの制御信号により、複数の電極部の各々に電圧を印加した。制御回路５００は、２つの制御信号により、複数の電極部の各々に電圧を印加してもよい。この場合、複数の電極部の各々に印加する電圧は、第１電圧成分および第２電圧成分の和である。
【０１２５】
制御回路５００は、第１制御信号により、第１電圧成分を、電極部によらず、ミラー３０を介して出射される光の出射角度に応じた一律の値に設定する。制御回路５００は、第２制御信号により、第２電圧成分を、光導波層２０の複数の部分の各々の厚さに応じた値に設定する。第１電圧成分は、前述した一律の電圧成分に相当し、第２電圧成分は、前述した個々の電圧成分に相当する。すなわち、第１電圧成分は、出射角度に関する成分であり、第２電圧成分は、光のスポットの広がりを低減する成分である。制御回路５００は、第１制御信号および第２制御信号により、光導波層２０の複数の部分から、ミラー３０を介して同一の出射角度で光を出射させる。これにより、出射光のスポットの広がりが、低減される。
【０１２６】
光導波層２０の屈折率は、温度変化によっても変化し得る。この場合、制御回路５００は、温度センサをさらに備え得る。制御回路５００は、前述の第１制御信号、および前述の第２制御信号に加えて、第３制御信号により、温度変化に応じて複数の電極部の各々に印加する電圧を補正してもよい。複数の電極部の各々に印加する電圧は、前述の第１電圧成分と、前述の第２電圧成分と、第３電圧成分との和である。制御回路５００は、第３制御信号により、第３電圧成分を、電極部によらず、温度センサによって計測された温度に応じた一律の値に設定する。第３電圧成分は、温度変化による制御精度の低下を抑制する成分である。制御回路５００は、第１制御信号から第３制御信号により、光導波層２０の複数の部分から、ミラー３０を介して同一の出射角度で光を出射させる。これにより、温度変化による出射角度の変化、および出射光のスポットの広がりが、低減される。
【０１２７】
次に、本実施形態における光デバイス１００の変形例を説明する。
【０１２８】
図１０は、図７に示す光デバイス１００の変形例を模式的に示す図である。図１０に示す例では、図７に示す基板５０ａの代わりに、電極６２ｃを挟む基板５０ａ１および基板５０ａ２が配置されている。電極６２ｃは、電極６２ｂに対向する。電極６２ｂおよび電極６２ｃは、光導波層２０を直接的または間接的に挟む。図１０に示す例では、光導波層２０と電極６２ｃとの間に、ミラー４０と、電極６２ａと、基板５０ａ２とがある。制御回路５００は、電極６２ａ、電極６２ｂ、および電極６２ｃを介して光導波層２０に印加する電圧を制御する。
【０１２９】
光導波層２０の複数の部分の各々に印加する電圧が、前述の第１電圧成分、および前述の第２電圧成分の和である例を説明する。図１０に示す例では、当該第１電圧成分は、電極６２ｂと、電極６２ｃとの間に印加され得る。当該第２電圧成分は、複数の電極部の各々に印加され得る。
【０１３０】
制御回路５００は、第１制御信号により、第１電圧成分を、ミラー３０を介して出射される光の出射角度に応じた値に設定する。前述した例では、第１電圧成分は、複数の電極部によらない一律の値であった。したがって、複数の電極部を含まない電極６２ｂおよび電極６２ｃを介して、第１電圧成分を印加することができる。
【０１３１】
制御回路５００は、第２制御信号により、第２電圧成分を、光導波層２０の複数の部分の各々の厚さに応じた値に設定する。
【０１３２】
制御回路５００は、第１制御信号および第２制御信号により、光導波層２０の複数の部分から、ミラー３０を介して同一の出射角度で光を出射させる。これにより、出射光のスポットの広がりが、低減される。
【０１３３】
次に、光導波層２０の複数の部分の各々に印加する電圧が、前述の第１電圧成分と、前述の第２電圧成分と、前述の第３電圧成分の和である例を説明する。図１０に示す例では、当該第１電圧成分および当該第３電圧成分は、電極６２ｂと、電極６２ｃとの間に印加される。当該第２電圧成分は、複数の電極部の各々に印加される。
【０１３４】
制御回路５００は、温度センサをさらに備え得る。制御回路５００は、第３制御信号により、第３電圧成分を、温度センサによって計測された温度に応じた値に設定する。前述した例では、第３電圧成分は、複数の電極部によらない一律の値であった。したがって、複数の電極部を含まない電極６２ｂおよび電極６２ｃを介して、第３電圧成分を印加することができる。制御回路５００は、第１制御信号から第３制御信号により、光導波層２０の複数の部分から、ミラー３０を介して同一の出射角度で光を出射させる。これにより、温度変化による出射角度の変化、および出射光のスポットの広がりが、低減される。
【０１３５】
次に、電極６２ａにおける複数の電極部の配置の例を説明する。
【０１３６】
図１１Ａから図１１Ｄは、電極６２ａにおける複数の電極部のＸＹ平面での配置の例を模式的に示す図である。図１１Ａから図１１Ｄに示す例では、ｗは、光導波層２０のＹ方向における幅を表す。
【０１３７】
図１１Ａに示す例では、複数の電極部は、Ｘ方向に並び、Ｙ方向に一様である。各電極部のＸ方向における長さ、および隣り合う２つの電極部間のギャップは、光導波層２０の厚さの不均一性に依存する。光導波層２０の厚さがＸ方向に沿って緩やかに変化するとき、各電極部のＸ方向における長さは長く設計され、隣り合う２つの電極部間のギャップは大きく設計されてもよい。一方、光導波層２０の厚さがＸ方向に沿って急峻に変化するとき、各電極部のＸ方向における長さは短く設計され、隣り合う２つの電極部間のギャップは小さく設計される。このように、各電極部のＸ方向における長さ、および隣り合う２つの電極部間のギャップは、光導波層２０の厚さの不均一性に応じて、適切に設計される。
【０１３８】
図１１Ｂおよび図１１Ｃに示す例では、図１１Ａに示す例と同様に、複数の電極部は、Ｘ方向に並ぶ。図１１Ｂおよび図１１Ｃに示す例では、複数の電極部のうち、隣り合う任意の２つの電極部は、各電極に平行でかつＹ方向から見たとき、重なる部分を有している。これにより、図１１Ａに示す例と異なり、Ｙ方向から見たとき、光導波層２０には、Ｘ方向において電圧が印加されない部分が存在しない。その結果、電極部間のギャップの影響を低減することができる。
【０１３９】
図１１Ｄに示す例では、複数の電極部は、Ｘ方向およびＹ方向に、マトリックス状に並ぶ。図１１Ｄに示す複数の電極部は、光導波層２０の厚さが、Ｘ方向においてだけでなく、Ｙ方向においても不均一である場合に有効である。
【０１４０】
本実施形態における光デバイス１００は、Ｙ方向に配列された複数の光導波路ユニットと、制御回路５００と、複数の位相シフタと、を備えていてもよい。
【０１４１】
複数の光導波路ユニットの各々は、例えば、図７に示す構成を含む。当該構成は、光導波路素子１０、基板５０ａ、基板５０ｂ、電極６２ａ、および電極６２ｂである。複数の光導波路ユニットでは、図７に示す構成のうち、ミラー３０、ミラー４０、基板５０ａ、基板５０ｂ、電極６２ａ、および電極６２ｂは、一体に構成されていてもよい。複数の導波路ユニットでは、Ｙ方向において隣り合う任意の２つの光導波層２０の間と、両端の光導波層２０の外側とに、ミラー３０とミラー４０とを支持する支持部材が配置されていてもよい。当該支持部材の屈折率は、光導波層２０の屈折率よりも低い。これにより、光導波層２０内の光は、Ｙ方向には漏れず、Ｘ方向に沿って伝搬する。複数の光導波路ユニットの各々は、図７に示す構成の代わりに、図１０に示す構成を含んでいてもよい。
【０１４２】
複数の位相シフタは、複数の光導波路ユニットにそれぞれ接続されている。複数の位相シフタの各々は、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光導波路を介して繋がる光導波路を含む。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、ミラー３０を介して出射する光の方向、または、後述するように、ミラー３０を介して光導波層２０に取り込まれる光の入射方向が変化する。
【０１４３】
（実施形態２）
前述した例では、出射光のスポットの広がりを低減する例を説明した。本実施形態における光スキャンデバイス１００では、出射光のスポットの広がりを積極的に増減させてもよい。ここでは、簡単のために、光導波層２０の厚さは均一であるとする。
【０１４４】
制御回路５００は、第１の制御信号によって出射光の方向を制御し、第２の制御信号によって出射光の形状を制御し得る。出射光の方向は、例えば、光導波層２０の複数の部分から出射される光の出射角度の平均によって決定される。出射光の形状は、例えば、光導波層２０の複数の部分から出射される光の出射角度のうちの最大値と最小値との差によって決定される。
【０１４５】
式（１）から、出射光の所望の出射角度θを満たす屈折率ｎｗ＝ｎ０が決定される。複数の電極部の各々に印加される電圧は、第１電圧成分および第２電圧成分の和である。制御回路５００は、第１の制御信号により、複数の電極部と重なる部分の屈折率がｎ０になる第１電圧を、複数の電極部にそれぞれ印加する。第１電圧成分は、電極部によらない一律の値を有する。制御回路５００は、第２の制御信号により、出射光のスポットの広がりを増減させる第２電圧成分を、複数の電極部にそれぞれ印加する。
【０１４６】
複数の電極部に印加される第２電圧成分は、正または負の値を有する。複数の電極部がＭ個の電極部を含む場合、複数の電極部と重なる部分から第１のミラー３０を介して出射される光の出射角度は、それぞれθ１からθＭとして表される。光ビームの出射方向がθとして表され、広がり角がΔθとして表される場合、Ｍ個の電極部のうち、Ｘ方向においてｊ番目の電極部と重なる部分の屈折率ｎｗｊは、例えばθｊ＝θ−（Δθ／２）＋Δθ［（ｊ−１）／（Ｍ−１）］になるように調整される。この場合、出射角度の最大値は、θＭ＝θ＋Δθ／２であり、最小値はθ１＝θ−Δθ／２である。θ１からθＭの組み合わせはこれに限られない。広がり角がΔθであれば、θ１からθＭの組み合わせは任意である。図８Ｂに示す例では、光導波層２０の複数の部分の屈折率がｎｗ１＝１．４６４５からｎｗＭ＝１．５０の範囲であれば、出射光のスポットの広がり角はΔθ＝６．３°になる。第２電圧成分は、光導波層２０の複数の部分の屈折率ｎｗが上記の範囲をカバーするように設定される。当該第２電圧成分は、乱数に基づいて設定されてもよい。
【０１４７】
このように、制御回路５００は、第１の制御信号によって第１電圧成分を制御することにより、出射光の方向を制御し、第２の制御信号によって第２電圧成分を制御することにより、出射光の形状を制御する。
【０１４８】
第１電圧成分および第２電圧成分を独立して制御することには、以下の利点がある。出射光の方向および形状を１つの制御信号によって制御する場合、制御回路５００の不図示のメモリに記録される制御信号の数は、所望の出射方向の数、および所望の形状の数の積である。一方、出射光の方向および形状を２つの制御信号によって独立して制御する場合、制御回路５００の不図示のメモリに記録される制御信号の数は、所望の出射方向の数、および所望の形状の数の和である。したがって、独立して制御することにより、制御回路５００の不図示のメモリに記録される制御信号を示すデータの数を大幅に減らすことができる。
【０１４９】
（実施形態３）
実施形態２では、簡単のために、光導波層２０の厚さは均一であるとした。実際には、光導波層２０の厚さは不均一であり得る。この場合、本実施形態における光スキャンデバイス１００では、実施形態１および実施形態２を組み合わせて、出射光のスポットの広がりを積極的に増減させてもよい。複数の電極部の各々に印加される電圧は、第１電圧成分および第２電圧成分の和である。
【０１５０】
第１電圧成分は、実施形態１において述べた、複数の電極部の各々に印加する電圧である。第１電圧成分は、複数の電極部の各々の厚さに応じた値を有する。第１電圧成分により、光導波層２０の複数の部分の各々から、光が同じ出射角度θで出射される。
【０１５１】
第２電圧成分は、実施形態２において述べた、出射光の形状を制御する電圧である。
【０１５２】
制御回路５００は、第１の制御信号によって複数の電極部の各々に第１電圧成分を印加し、第２の制御信号によって複数の電極部の各々に第２電圧成分を印加する。複数の電極部の各々に第２電圧成分が印加されなければ、出射光のスポットの広がりは最小である。複数の電極部の各々に第２電圧成分が印加されれば、出射光のスポットの広がりは、最小値から増加する。本実施形態における光スキャンデバイスでは、出射光のスポットの広がりを積極的に増減させることができ、且つスポットの広がりの最小値を小さくすることができる。したがって、スポットサイズの可変幅を最大化することができる。
【０１５３】
＜応用例＞
図１２は、回路基板（たとえば、チップ）上に光分岐器９０、光導波路アレイ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光導波路に導入する。図１２に示す例において、チップ上には電極６２Ａと、複数の電極６２Ｂとが設けられている。光導波路アレイ１０Ａには、電極６２Ａから制御信号が供給される。位相シフタアレイ８０Ａにおける複数の位相シフタ８０には、複数の電極６２Ｂから制御信号がそれぞれ送られる。電極６２Ａ、および複数の電極６２Ｂは、上記の制御信号を生成する不図示の制御回路に接続され得る。制御回路は、図１２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。
【０１５４】
図１２に示すように、すべ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１２に示されるすべてのコンポーネントを集積することができる。
【０１５５】
図１３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法と組み合わせることにより、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。
【０１５６】
図１４は、そのような測距画像を生成することが可能な光検出システムの一例であるＬｉＤＡＲシステム３００の構成例を示すブロック図である。ＬｉＤＡＲシステム３００は、光スキャンデバイス１００と、光検出器４００と、信号処理回路６００と、制御回路５００とを備える。光検出器４００は、光スキャンデバイス１００から出射され、対象物から反射された光を検出する。光検出器４００は、例えば光スキャンデバイス１００から出射される光の波長λに感度を有するイメージセンサ、またはフォトダイオードなどの受光素子を含むフォトディテクタであり得る。光検出器４００は、受光した光の量に応じた電気信号を出力する。信号処理回路６００は、光検出器４００から出力された電気信号に基づいて、対象物までの距離を計算し、距離分布データを生成する。距離分布データは、距離の２次元分布を示すデータ（すなわち、測距画像）である。制御回路５００は、光スキャンデバイス１００、光検出器４００、および信号処理回路６００を制御するプロセッサである。制御回路５００は、光スキャンデバイス１００からの光ビームの照射のタイミングおよび光検出器４００の露光および信号読出しのタイミングを制御し、信号処理回路６００に、測距画像の生成を指示する。
【０１５７】
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。
【０１５８】
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。
【０１５９】
＜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光導波路アレイ１０Ａと、受信可能な光の方向を調整する第１調整素子とを備える。光導波路アレイ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。光導波路アレイ１０Ａの各光導波層２０は、第２の方向に第１のミラー３０を透過した光を伝搬させる。第１調整素子が各光導波路素子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、複数の光導波路素子１０から複数の位相シフタ８０、または８０ａおよび８０ｂを通過して出力される光の位相の差をそれぞれ変化させる第２調整素子を備える場合には、受信可能な光の方向を２次元的に変化させることができる。
【０１６０】
例えば図１２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。光導波路アレイ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、光導波路アレイおよび位相シフタアレイ８０Ａに別々に組み込まれた調整素子によって調整することができる。光受信デバイスでは、例えば図４において、波数ベクトル（図中の太い矢印）の方向が反対になる。入射光は、光導波路素子１０が延びる方向（図中のＸ方向）の光成分と、光導波路素子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、光導波路アレイ１０Ａに組み込まれた調整素子によって調整できる。一方、光導波路素子１０の配列方向の光成分の感度は、位相シフタアレイ８０Ａに組み込まれた調整素子によって調整できる。光受信デバイスの感度が最大になるときの光の位相差Δφ、光導波層２０の屈折率ｎｗおよび厚さｄから、図４に示すθおよびα０がわかる。これにより、光の入射方向を特定することができる。
【０１６１】
前述した実施形態は、適宜、組み合わせることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１６２】
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】
【０１６３】
１０      光導波路素子、光導波路
１０Ａ    光導波路アレイ
２０      光導波層
３０      第１のミラー
４０      第２のミラー
６２ａ、６２ｂ、６２Ａ、６２Ｂ      電極
８０      位相シフタ
８０Ａ    位相シフタアレイ
９０      光分岐器
１００    光スキャンデバイス
１１０    光導波路アレイの駆動回路
１３０    光源
２１０    位相シフタアレイの駆動回路
３１０    ビームスポット
４００    光検出器
５００    制御回路
６００    信号処理回路
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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