(57)【要約】  光デバイスは、第１の方向および前記第１の方向に交差する第２の方向に沿って拡がる表面を有する第１の基板と、前記第１の基板に対向する第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板との間に位置し、前記第１の方向に沿って延びる複数の隔壁と、前記第１の基板と前記第２の基板との間に位置する１つ以上の光導波路であって、前記複数の隔壁の間に位置し前記第１の方向に沿って延びる１つ以上の誘電体部材を備える１つ以上の光導波路と、前記第１の基板と前記第２の基板とに直接的または間接的に挟持され、前記１つ以上の光導波路の周囲に位置する１つ以上のスペーサと、を備える。
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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の方向に交差する第２の方向に沿って拡がる表面を有する第１の基板と、
前記第１の基板に対向する第２の基板と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に位置し、前記第１の方向に沿って延びる複数の隔壁と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に位置する１つ以上の第１の光導波路であって、前記複数の隔壁の間に位置し前記第１の方向に沿って延びる１つ以上の誘電体部材を備える１つ以上の第１の光導波路と、
前記第１の基板と前記第２の基板とに直接的または間接的に挟持され、前記１つ以上の第１の光導波路の周囲に位置する１つ以上のスペーサと、を備え、
前記１つ以上のスペーサの各々の弾性率は、前記複数の隔壁の何れの弾性率よりも小さい、光デバイス。
【請求項２】
前記複数の隔壁は、前記第１の基板と前記第２の基板とに直接的または間接的に挟持され、
前記第１の基板と前記第２の基板とにより挟持されることによる、前記第１の基板の前記表面に垂直な方向における前記１つ以上のスペーサの各々の変形率は、前記垂直の方向における前記複数の隔壁の何れの変形率よりも大きい、請求項１に記載の光デバイス。
【請求項３】
前記１つ以上のスペーサは、複数の柱状のスペーサである、請求項１または２に記載の光デバイス。
【請求項４】
前記第１の基板と前記第２の基板との間隔を固定するシール部材をさらに備え、
前記シール部材は、前記第１の基板の前記表面に垂直な方向から見たときに、前記１つ以上の第１の光導波路および前記複数の隔壁を囲む、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】
前記第１の基板と前記第２の基板との間に位置し、前記シール部材によって囲まれた領域は、前記１つ以上の誘電体部材と同じ部材によって満たされる、請求項４に記載の光デバイス。
【請求項６】
前記１つ以上のスペーサは、前記シール部材によって囲まれた領域内、および／または前記領域外に位置する、請求項４または５に記載の光デバイス。
【請求項７】
前記１つ以上の第１の光導波路にそれぞれ接続された１つ以上の第２の光導波路をさらに備える、請求項１から６のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項８】
前記１つ以上の第１の光導波路は、複数の第１の光導波路であり、
前記１つ以上の第２の光導波路は、複数の第２の光導波路であり、
前記１つ以上のスペーサは、前記複数の第２の光導波路のうち、隣り合う２つの第２の光導波路の間に設けられている少なくとも１つのスペーサを含む、請求項７に記載の光デバイス。
【請求項９】
前記第１の基板と、前記１つ以上の第２の光導波路との間に位置する誘電体層をさらに備える、請求項７に記載の光デバイス。
【請求項１０】
前記１つ以上の第２の光導波路の各々は、前記複数の隔壁のうちの隣り合う２つ隔壁の間に位置する部分を備え、
前記１つ以上の第２の光導波路の各々は、隣り合う２つ隔壁の間に位置する前記部分において第１のグレーティングを備える、請求項７から９のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項１１】
前記１つ以上の第２の光導波路の各々は、前記第１の基板の前記表面に垂直な方向から見たとき、前記第１の基板および前記第２の基板のいずれか一方と重ならない部分を備え、
前記１つ以上の第２の光導波路の各々は、前記重ならない部分において第２のグレーティングを備える、請求項７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の基板と前記１つ以上の誘電体部材との間、および、前記第２の基板と前記１つ以上の誘電体部材との間にそれぞれ位置する２つのミラーをさらに備える、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の基板の前記表面に垂直な方向から見たとき、前記１つ以上のスペーサが設けられた領域において前記２つのミラーの少なくとも一方が形成されていない、請求項１２に記載の光デバイス。
【請求項１４】
前記１つ以上の第１の光導波路は、前記１つ以上の誘電体部材の屈折率を調整することが可能な構造を備え、
前記１つ以上の誘電体部材の屈折率を調整することにより、前記１つ以上の第１の光導波路から前記第１の基板もしくは前記第２の基板を介して出射する光の方向、または前記第１の基板もしくは前記第２の基板を介して前記１つ以上の第１の光導波路内に取り込まれる光の入射方向が変化する、請求項１から１３のいずれかに記載の光デバイス。
【請求項１５】
前記１つ以上の誘電体部材を挟む一対の電極をさらに備え、
前記１つ以上の誘電体部材は、液晶材料または電気光学材料を含み、
前記一対の電極に電圧を印加することにより、前記１つ以上の誘電体部材の前記屈折率が調整される、請求項１４に記載の光デバイス。
【請求項１６】
前記１つ以上の第１の光導波路に、それぞれ直接的にまたは他の導波路を介して繋がる１つ以上の位相シフタをさらに備え、
前記１つ以上の位相シフタを通過する光の位相の差を変化させることにより、前記１つ以上の第１の光導波路から前記第１の基板もしくは前記第２の基板を介して出射する前記光の方向、または、前記第１の基板もしくは前記第２の基板を介して前記１つ以上の第１の光導波路に取り込まれる前記光の入射方向が変化する、請求項１５に記載の光デバイス。
【請求項１７】
請求項１から１６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は、ミラーを回転させる駆動装置を用いて、光によるスキャンを行うことができる構成を開示している。【０００４】
特許文献２は、２次元的に配列された複数のナノフォトニックアンテナ素子を有する光フェーズドアレイを開示している。それぞれのアンテナ素子は可変光遅延線（すなわち、位相シフタ）に光学的に結合される。この光フェーズドアレイでは、コヒーレント光ビームが導波路によってそれぞれのアンテナ素子に誘導され、位相シフタによって光ビームの位相がシフトされる。これにより、遠視野放射パターンの振幅分布を変化させることができる。【０００５】
特許文献３は、内部を光が導波する光導波層、および光導波層の上面および下面に形成された第１分布ブラッグ反射鏡を備える導波路と、導波路内に光を入射させるための光入射口と、光入射口から入射して導波路内を導波する光を出射させるために導波路の表面に形成された光出射口とを備える光偏向素子を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【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の方向に交差する第２の方向に沿って拡がる表面を有する第１の基板と、前記第１の基板に対向する第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板との間に位置し、前記第１の方向に沿って延びる複数の隔壁と、前記第１の基板と前記第２の基板との間に位置する１つ以上の第１の光導波路であって、前記複数の隔壁の間に位置し前記第１の方向に沿って延びる１つ以上の誘電体部材を備える１つ以上の第１の光導波路と、前記第１の基板と前記第２の基板とに直接的または間接的に挟持され、前記１つ以上の第１の光導波路の周囲に位置する１つ以上のスペーサと、を備える。【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３Ａ】図３Ａは、導波路アレイの出射面に垂直な方向に光を出射する導波路アレイの断面を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、導波路アレイの出射面に垂直な方向とは異なる方向に光を出射する導波路アレイの断面を示す図である。
【図４】図４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５】図５は、導波路アレイ１０Ａおよび位相シフタアレイ８０Ａを、光出射面の法線方向（Ｚ方向）から見た模式図である。
【図６】図６は、Ｚ方向から見たときの、光デバイスの下部構造体の例を模式的に示す図である。
【図７Ａ】図７Ａは、図６に示すＡ−Ａ線断面を示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図６に示すＢ−Ｂ線断面を示す図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、図６に示すＣ−Ｃ線断面を示す図である。
【図８Ａ】図８Ａは、図７Ａに示す下部構造体および上部構造体を貼り合わせたときの光デバイスの例を模式的に示す図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、図７Ｂに示す下部構造体および上部構造体を貼り合わせたときの光デバイスの例を模式的に示す図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、図７Ｃに示す下部構造体および上部構造体を貼り合わせたときの光デバイスの例を模式的に示す図である。
【図９】図９は、Ｚ方向から見たときの、光デバイスの下部構造体の例を模式的に示す図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、図９に示すＡ−Ａ線断面を示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、図９に示すＢ−Ｂ線断面を示す図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、図９に示すＣ−Ｃ線断面を示す図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、図１０Ａに示す下部構造体および上部構造体を貼り合わせたときの光デバイスの例を模式的に示す図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、図１０Ｂに示す下部構造体および上部構造体を貼り合わせたときの光デバイスの例を模式的に示す図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、図１０Ｃに示す下部構造体および上部構造体を貼り合わせたときの光デバイスの例を模式的に示す図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、第１の変形例における光スキャンデバイスの構成を示す図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、第２の変形例における光スキャンデバイスの構成を示す図である。
【図１３】図１３は、光デバイスからの光の出射を模式的に示す図である。
【図１４】図１４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１５】図１５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１６】図１６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】
本発明者は、従来技術における上記の課題に着目し、これらの課題を解決するための構成を検討した。本発明者は、対向する一対のミラーと、それらのミラーに挟まれた光導波層とを有する導波路素子を用いることにより、上記の課題を解決し得ることを見出した。導波路素子における一対のミラーの一方は、他方に比べて高い光透過率を有し、光導波層を伝搬する光の一部を外部に出射させる。出射した光の方向（または出射角度）は、後述するように、光導波層の屈折率もしくは厚さ、または光導波層に入力される光の波長を調整することにより、変化させることができる。より具体的には、屈折率、厚さ、または波長を変化させることにより、出射光の波数ベクトル（ｗａｖｅ  ｖｅｃｔｏｒ）の、光導波層の長手方向に沿った方向の成分を変化させることができる。これにより、１次元的なスキャンが実現される。
【００１７】
さらに、複数の導波路素子のアレイを用いた場合には、２次元的なスキャンを実現することもできる。より具体的には、複数の導波路素子に供給する光に適切な位相差を与え、その位相差を調整することにより、複数の導波路素子から出射する光が強め合う方向を変化させることができる。位相差の変化により、出射光の波数ベクトルの、光導波層の長手方向に沿った方向に交差する方向の成分が変化する。これにより、２次元的なスキャンを実現することができる。なお、２次元的なスキャンを行う場合でも、複数の光導波層の屈折率、厚さ、または光の波長を異なる量変化させる必要はない。すなわち、複数の光導波層に供給する光に適切な位相差を与え、かつ、複数の光導波層の屈折率、厚さ、および波長の少なくとも１つを同期して同量変化させることにより、２次元的なスキャンを行うことができる。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】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
複数の導波路素子１０のそれぞれは、互いに対向する第１のミラー３０および第２のミラー４０（以下、それぞれを単に「ミラー」と称する場合がある）と、ミラー３０とミラー４０の間に位置する光導波層２０とを有する。ミラー３０およびミラー４０の各々は、第３の方向Ｄ３に交差する反射面を、光導波層２０との界面に有する。ミラー３０およびミラー４０、ならびに光導波層２０は、第１の方向（Ｘ方向）に延びた形状を有している。
【００２７】
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。
【００２８】
第１のミラー３０の反射面と第２のミラー４０の反射面とは略平行に対向している。２つのミラー３０およびミラー４０のうち、少なくとも第１のミラー３０は、光導波層２０を伝搬する光の一部を透過させる特性を有する。言い換えれば、第１のミラー３０は、当該光について、第２のミラー４０よりも高い光透過率を有する。このため、光導波層２０を伝搬する光の一部は、第１のミラー３０から外部に出射される。このようなミラー３０および４０は、例えば誘電体による多層膜（「多層反射膜」と称することもある。）によって形成される多層膜ミラーであり得る。
【００２９】
それぞれの導波路素子１０に入力する光の位相を制御し、さらに、これらの導波路素子１０における光導波層２０の屈折率もしくは厚さ、または光導波層２０に入力される光の波長を同期して同時に変化させることで、光による２次元スキャンを実現することができる。
【００３０】
本発明者は、そのような２次元スキャンを実現するために、導波路素子１０の動作原理について分析を行った。その結果に基づき、複数の導波路素子１０を同期して駆動することで、光による２次元スキャンを実現することに成功した。
【００３１】
図１に示すように、各導波路素子１０に光を入力すると、各導波路素子１０の出射面から光が出射される。出射面は、第１のミラー３０の反射面の反対側に位置する。その出射光の方向Ｄ３は、光導波層の屈折率、厚さ、および光の波長に依存する。本実施形態では、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。
【００３２】
さらに、複数の導波路素子１０から出射される光は同じ方向を向いているので、出射光は互いに干渉する。それぞれの導波路素子１０から出射される光の位相を制御することにより、干渉によって光が強め合う方向を変化させることができる。例えば、同じサイズの複数の導波路素子１０がＹ方向に等間隔で並んでいる場合、複数の導波路素子１０には、一定量ずつ位相の異なる光が入力される。その位相差を変化させることにより、出射光の波数ベクトルの、Ｙ方向の成分を変化させることができる。言い換えれば、複数の導波路素子１０に導入される光の位相差をそれぞれ変化させることにより、干渉によって出射光が強め合う方向Ｄ３を、図１に示される方向１０２に沿って変化させることができる。これにより、光による２次元スキャンを実現することができる。
【００３３】
以下、光スキャンデバイス１００の動作原理を説明する。
【００３４】
＜導波路素子の動作原理＞
図２は、１つの導波路素子１０の断面の構造および伝搬する光の例を模式的に示す図である。図２では、図１に示すＸ方向およびＹ方向に垂直な方向をＺ方向とし、導波路素子１０のＸＺ面に平行な断面が模式的に示されている。導波路素子１０において、一対のミラー３０とミラー４０が光導波層２０を挟むように配置されている。光導波層２０のＸ方向における一端から導入された光２２は、光導波層２０の上面（図２における上側の表面）に設けられた第１のミラー３０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。
【００３５】
通常の光ファイバーなどの導波路では、全反射を繰り返しながら光が導波路に沿って伝搬する。これに対して、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またはミラー４０と光導波層２０との界面への入射角度を意味する。ミラー３０またはミラー４０に対して、より垂直に近い角度で入射する光も伝搬できる。すなわち、全反射の臨界角よりも小さい角度で界面に入射する光も伝搬できる。このため、光の伝搬方向における光の群速度は自由空間における光速に比べて大きく低下する。これにより、導波路素子１０は、光の波長、光導波層２０の厚さ、および光導波層２０の屈折率の変化に対して光の伝搬条件が大きく変化するという性質を持つ。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」と称する。
【００３６】
導波路素子１０から空気中に出射される光の出射角度θは、以下の式（１）によって表される。
【数１】
2020059226.tif 000003
【００３７】
式（１）からわかるように、空気中での光の波長λ、光導波層２０の屈折率ｎｗおよび光導波層２０の厚さｄのいずれかを変えることで光の出射方向を変えることができる。
【００３８】
例えば、ｎｗ＝２、ｄ＝３８７ｎｍ、λ＝１５５０ｎｍ、ｍ＝１の場合、出射角度は０°である。この状態から、屈折率をｎｗ＝２．２に変化させると、出射角度は約６６°に変化する。一方、屈折率を変えずに厚さをｄ＝４２０ｎｍに変化させると、出射角度は約５１°に変化する。屈折率も厚さも変化させずに波長をλ＝１５００ｎｍに変化させると、出射角度は約３０°に変化する。このように、光の波長λ、光導波層２０の屈折率ｎｗ、および光導波層２０の厚さｄのいずれかを変えることにより、光の出射方向を大きく変えることができる。
【００３９】
そこで、本開示の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。
【００４０】
出射光の方向を変化させるために、光スキャンデバイス１００は、各導波路素子１０における光導波層２０の屈折率、厚さ、および波長の少なくとも１つを変化させる第１調整素子を備え得る。
【００４１】
以上のように、導波路素子１０を用いれば、光導波層２０の屈折率ｎｗ、厚さｄ、および波長λの少なくとも１つを変化させることで、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。
【００４２】
光導波層２０の少なくとも一部の屈折率を調整するために、光導波層２０は、液晶材料または電気光学材料を含んでいてもよい。光導波層２０は、一対の電極によって挟まれ得る。一対の電極に電圧を印加することにより、光導波層２０の屈折率を変化させることができる。
【００４３】
光導波層２０の厚さを調整するために、例えば、第１のミラー３０および第２のミラー４０の少なくとも一方に少なくとも１つのアクチュエータが接続されてもよい。少なくとも１つのアクチュエータによって第１のミラー３０と第２のミラー４０との距離を変化させることにより、光導波層２０の厚さを変化させることができる。光導波層２０が液体から形成されていれば、光導波層２０の厚さは容易に変化し得る。
【００４４】
＜２次元スキャンの動作原理＞
複数の導波路素子１０が一方向に配列された導波路アレイにおいて、それぞれの導波路素子１０から出射される光の干渉により、光の出射方向は変化する。各導波路素子１０に供給する光の位相を調整することにより、光の出射方向を変化させることができる。以下、その原理を説明する。
【００４５】
図３Ａは、導波路アレイの出射面に垂直な方向に光を出射する導波路アレイの断面を示す図である。図３Ａには、各導波路素子１０を伝搬する光の位相シフト量も記載されている。ここで、位相シフト量は、左端の導波路素子１０を伝搬する光の位相を基準にした値である。本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３Ａにおいて、破線の円弧は、各導波路素子１０から出射される光の波面を示している。直線は、光の干渉によって形成される波面を示している。矢印は、導波路アレイから出射される光の方向（すなわち、波数ベクトルの方向）を示している。図３Ａ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。
【００４６】
図３Ｂは、導波路アレイの出射面に垂直な方向とは異なる方向に光を出射する導波路アレイの断面を示す図である。図３Ｂに示す例では、複数の導波路素子１０における光導波層２０を伝搬する光の位相が、配列方向に一定量（Δφ）ずつ異なっている。この場合、光は、Ｚ方向とは異なる方向に出射される。このΔφを変化させることにより、光の波数ベクトルのＹ方向の成分を変化させることができる。隣接する２つの導波路素子１０の間の中心間距離をｐとすると、光の出射角度α０は、以下の式（２）によって表される。
【数２】
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【００４７】
図２に示す例では、光の出射方向は、ＸＺ平面に平行である。すなわち、α０＝０°である。図３Ａおよび図３Ｂに示す例では、光スキャンデバイス１００から出射される光の方向は、ＹＺ平面に平行である。すなわち、θ＝０°である。しかし、一般には、光スキャンデバイス１００から出射される光の方向は、ＸＺ平面にも、ＹＺ平面にも平行ではない。すなわち、θ≠０°およびα０≠０°である。
【００４８】
図４は、３次元空間における導波路アレイを模式的に示す斜視図である。図４に示す太い矢印は、光スキャンデバイス１００から出射される光の方向を表す。θは、光の出射方向とＹＺ平面とがなす角度である。θは式（１）を満たす。α０は、光の出射方向とＸＺ平面とがなす角度である。α０は式（２）を満たす。
【００４９】
＜導波路アレイに導入する光の位相制御＞
それぞれの導波路素子１０から出射される光の位相を制御するために、例えば、導波路素子１０に光を導入する前段に、光の位相を変化させる位相シフタが設けられ得る。本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」と称することがある。
【００５０】
図５は、導波路アレイ１０Ａおよび位相シフタアレイ８０Ａを、光出射面の法線方向（Ｚ方向）から見た模式図である。図５に示される例では、全ての位相シフタ８０が同じ伝搬特性を有し、全ての導波路素子１０が同じ伝搬特性を有する。それぞれの位相シフタ８０およびそれぞれの導波路素子１０は同じ長さであってもよいし、長さが異なっていてもよい。それぞれの位相シフタ８０の長さが等しい場合は、例えば、駆動電圧によってそれぞれの位相シフト量を調整することができる。また、それぞれの位相シフタ８０の長さを等ステップで変化させた構造にすることで、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。
【００５１】
第１駆動回路１１０は、各導波路素子１０における光導波層２０の屈折率および厚さの少なくとも一方を変化させることにより、光導波層２０から出射する光の角度を変化させる。第２駆動回路２１０は、各位相シフタ８０における導波路２０ａの屈折率を変化させることにより、導波路２０ａの内部を伝搬する光の位相を変化させる。光分岐器９０は、全反射によって光が伝搬する導波路で構成してもよいし、導波路素子１０と同様の反射型導波路で構成してもよい。
【００５２】
なお、光分岐器９０で分岐したそれぞれの光に対して位相を制御した後に、それぞれの光を位相シフタ８０に導入してもよい。この位相制御には、例えば、位相シフタ８０に至るまでの導波路の長さを調整することによるパッシブな位相制御構造を用いることができる。あるいは、位相シフタ８０と同様の機能を有する電気信号で制御可能な位相シフタを用いても良い。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。
【００５３】
上記の光スキャンデバイス１００と同様の構成を有する光デバイスは、光受信デバイスとしても利用できる。光デバイスの動作原理、および動作方法などの詳細は、米国特許出願公開第２０１８／０２２４７０９号に開示されている。この文献の開示内容全体を本明細書に援用する。
【００５４】
＜貼り合わせによる光デバイスの作製＞
本実施形態における光デバイス１００は、例えば、上部構造体と下部構造体とを貼り合わせることによって作製され得る。貼り合わせには、例えば、紫外線硬化樹脂または熱硬化樹脂などのシール部材が用いられ得る。電圧印加による光スキャンのために、光導波層２０は、例えば液晶材料を含み得る。液晶材料を光デバイス１００に注入するために、例えば真空封入が利用され得る。上記のシール部材によって囲まれた空間に液晶材料を注入すれば、液晶材料の注入の際に真空漏れを防ぐことができる。
【００５５】
図６は、Ｚ方向から見たときの、光デバイス１００の下部構造体１００ａの例を模式的に示す図である。図７Ａから図７Ｃは、それぞれ、図６に示すＡ−Ａ線断面、Ｂ−Ｂ線断面、およびＣ−Ｃ線断面を示す図である。図７Ａから図７Ｃは、光デバイス１００の下部構造体１００ａおよび上部構造体１００ｂの例を模式的に示す。図７Ａから図７Ｃに示す下向きの矢印は、貼り合わせの方向を表している。
【００５６】
下部構造体１００ａは、基板５０ａと、電極６２ａと、ミラー４０と、誘電体層５１と、１つ以上の光導波路１１と、複数の隔壁７３と、シール部材７９とを備える。上部構造体１００ｂは、基板５０ｂと、電極６２ｂと、ミラー３０とを備える。下部構造体１００ａと上部構造体１００ｂとを貼り合わせた後、封入口７９ｏから液晶材料が注入される。その後、封入口７９ｏはシール部材７９と同じ部材によって閉じられる。光デバイス１００の構成要素の詳細については、後述する。
【００５７】
図８Ａから図８Ｃは、それぞれ、図７Ａから図７Ｃに示す下部構造体１００ａおよび上部構造体１００ｂを貼り合わせたときの光デバイス１００の例を模式的に示す図である。図８Ａから図８Ｃに示すように、下部構造体１００ａと上部構造体１００ｂとが平行になるように貼り合わせようとしても、実際には、基板５０ａと基板５０ｂとが平行にならないことがある。これは、上部構造体１００ｂを下部構造体１００ａに貼り合わせる際に、上部構造体１００ｂと下部構造体１００ａとが最初に接触する箇所が支点になることに起因する。例えば、シール部材７９と電極６２ｂとが接触する箇所、または、複数の隔壁７３のうちの１つの隔壁とミラー３０とが接触する箇所が支点になり得る。貼り合わせる際に上部構造体１００ｂに加わる力が不均一であると、支点に近い箇所と、支点に遠い箇所とでは、基板５０ａと基板５０ｂとの間隔が異なり得る。例えば、支点に遠い箇所では、支点に近い箇所よりも、基板５０ａと基板５０ｂとの間隔が大きくなる。そのため、基板５０ａと基板５０ｂとが平行にならないことがある。その結果、光デバイス１００から出射される光の強度、および光の出射角度の精度が低下し得る。
【００５８】
本発明者は、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。
【００５９】
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の方向に交差する第２の方向に沿って拡がる表面を有する第１の基板と、前記第１の基板に対向する第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板との間に位置し、前記第１の方向に沿って延びる複数の隔壁と、前記第１の基板と前記第２の基板との間に位置する１つ以上の第１の光導波路であって、前記複数の隔壁の間に位置し前記第１の方向に沿って延びる１つ以上の誘電体部材を備える１つ以上の第１の光導波路と、前記第１の基板と前記第２の基板とに直接的または間接的に挟持され、前記１つ以上の第１の光導波路の周囲に位置する１つ以上のスペーサと、を備える。
【００６０】
この光デバイスでは、１つ以上の第１の光導波路の周囲に位置する１つ以上のスペーサにより、第１の基板と第２の基板との間隔を均一にすることができる。その結果、出射される光の強度、および出射角度の精度を大幅に改善することができる。
【００６１】
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１つ以上のスペーサの各々の弾性率が、前記複数の隔壁の何れの弾性率よりも小さい。
【００６２】
この光デバイスでは、バネのように作用して圧縮する各スペーサにより、第１の基板と第２の基板との間隔は、全体として均一になる。
【００６３】
第３の項目に係る光デバイスは、第１または第２の項目に係る光デバイスにおいて、前記複数の隔壁が、前記第１の基板と前記第２の基板とに直接的または間接的に挟持される。前記第１の基板と前記第２の基板とにより挟持されることによる、前記第１の基板の前記表面に垂直な方向における前記１つ以上のスペーサの各々の変形率は、前記垂直の方向における前記複数の隔壁の何れの変形率よりも大きい。
【００６４】
この光デバイスでは、複数の隔壁の何れの変形率よりも大きい各スペーサの変形率により、第１の基板と第２の基板との間隔は、全体として均一になる。
【００６５】
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１つ以上のスペーサが、複数の柱状のスペーサである。
【００６６】
この光デバイスでは、第１から第４の項目に係る光デバイスと同じ効果を得ることができる。
【００６７】
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、前記第１の基板と前記第２の基板との間隔を固定するシール部材をさらに備える。前記シール部材は、前記第１の基板の前記表面に垂直な方向から見たときに、前記１つ以上の第１の光導波路および前記複数の隔壁を囲む。
【００６８】
この光デバイスでは、１つ以上の第１の光導波路および複数の隔壁を、第１の基板と、第２の基板と、シール部材とによって密閉することができる。
【００６９】
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、前記第１の基板と前記第２の基板との間に位置し、前記シール部材によって囲まれた領域が、前記１つ以上の誘電体部材と同じ部材によって満たされる。
【００７０】
この光デバイスでは、第１の基板と、第２の基板と、シール部材とによって密閉された空間を１つ以上の誘電体部材と同じ部材で満たすことにより、容易に１つ以上の第１の光導波路を作製することができる。
【００７１】
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１つ以上のスペーサが、前記シール部材によって囲まれた領域内、および／または前記領域外に位置する。
【００７２】
この光デバイスでは、１つ以上のスペーサを前記シール部材によって囲まれた領域内、および／または領域外に配置することにより、第１の基板と第２の基板との間隔は、全体として均一になる。
【００７３】
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１つ以上の第１の光導波路にそれぞれ接続された１つ以上の第２の光導波路をさらに備える。
【００７４】
この光デバイスでは、１つ以上の第２の光導波路を１つ以上の第１の光導波路にそれぞれ接続することにより、１つ以上の第２の光導波路から１つ以上の第１の光導波路に光をそれぞれ伝搬させることができる。
【００７５】
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１つ以上の第１の光導波路は、複数の第１の光導波路であり、前記１つ以上の第２の光導波路は、複数の第２の光導波路であり、前記１つ以上のスペーサは、前記複数の第２の光導波路のうち、隣り合う２つの第２の光導波路の間に設けられている少なくとも１つのスペーサを含む。
【００７６】
この光デバイスでは、複数の第２の光導波路のうち、隣り合う２つの第２の光導波路の間に設けられている少なくとも１つのスペーサにより、第１の基板と第２の基板との間隔は、全体として均一になる。
【００７７】
第１０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１の基板と、前記１つ以上の第２の光導波路との間に位置する誘電体層をさらに備える。
【００７８】
この光デバイスでは、第１の基板と１つ以上の第２の光導波路との間に配置された誘電体層の高さを調整することにより、１つ以上の第２の光導波路から１つ以上の第１の光導波路へ光をそれぞれ効率よく伝搬させることができる。
【００７９】
第１１の項目に係る光デバイスは、第８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１つ以上の第２の光導波路の各々が、前記複数の隔壁のうちの隣り合う２つ隔壁の間に位置する部分を備える。前記１つ以上の第２の光導波路の各々は、隣り合う２つ隔壁の間に位置する前記部分において第１のグレーティングを備える。
【００８０】
この光デバイスでは、第１のグレーティングにより、各第１の光導波路の伝搬定数と、各第２の光導波路の伝搬定数とが一致する。その結果、１つ以上の第２の光導波路から１つ以上の第１の光導波路へ光をそれぞれ効率よく伝搬させることができる。
【００８１】
第１２の項目に係る光デバイスは、第８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１つ以上の第２の光導波路の各々が、前記第１の基板の前記表面に垂直な方向から見たとき、前記第１の基板および前記第２の基板のいずれか一方と重ならない部分を備える。前記１つ以上の第２の光導波路の各々は、前記重ならない部分において第２のグレーティングを備える。
【００８２】
この光デバイスでは、第２のグレーティングにより、外部から各第２の光導波路に光を効率よく入力することができる。
【００８３】
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の基板と前記１つ以上の誘電体部材との間、および、前記第２の基板と前記１つ以上の誘電体部材との間にそれぞれ位置する２つのミラーをさらに備える。
【００８４】
この光デバイスでは、２つのミラーにより、各第１の光導波路は、反射型導波路として機能する。これにより、各第１の光導波路を伝搬する光を外部に出射させることができる。
【００８５】
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、前記第１の基板の前記表面に垂直な方向から見たとき、前記１つ以上のスペーサが設けられた領域では、前記２つのミラーの少なくとも一方が形成されていない。
【００８６】
この光デバイスでは、１つ以上のスペーサが設けられた領域において、第１の基板に垂直な方向の間隔を大きくすることができる。これにより、当該間隔に大きなパーティクルが混入しても、第１の基板と第２の基板との間隔は、全体として均一になる。
【００８７】
第１５の項目に係る光デバイスは、第１から第１４の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記１つ以上の第１の光導波路が、前記１つ以上の誘電体部材の屈折率を調整することが可能な構造を備える。前記１つ以上の誘電体部材の屈折率を調整することにより、前記１つ以上の第１の光導波路から前記第１の基板もしくは前記第２の基板を介して出射する光の方向、または前記第１の基板もしくは前記第２の基板を介して前記１つ以上の第１の光導波路内に取り込まれる光の入射方向が変化する。
【００８８】
この光デバイスでは、光の出射方向を変化させることができる光スキャンデバイス、または、光の受信方向を変化させることができる光受信デバイスを実現することができる。
【００８９】
第１６の項目に係る光デバイスは、第１５の項目に係る光デバイスにおいて、前記１つ以上の誘電体部材を挟む一対の電極をさらに備える。前記１つ以上の誘電体部材は、液晶材料または電気光学材料を含む。前記一対の電極に電圧を印加することにより、前記１つ以上の誘電体部材の前記屈折率が調整される。
【００９０】
この光デバイスでは、電圧印加により、第１５の項目に係る光デバイスを実現することができる。
【００９１】
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１つ以上の第１の光導波路に、それぞれ直接的にまたは他の導波路を介して繋がる１つ以上の位相シフタをさらに備える。前記１つ以上の位相シフタを通過する光の位相の差を変化させることにより、前記１つ以上の第１の光導波路から前記第１の基板もしくは前記第２の基板を介して出射する前記光の方向、または、前記第１の基板もしくは前記第２の基板を介して前記１つ以上の第１の光導波路に取り込まれる前記光の入射方向が変化する。
【００９２】
この光デバイスでは、１つ以上の位相シフタにより、光の出射方向を２つの方向に独立して変化させることができる光スキャンデバイス、または、光の受信方向を２つの方向に独立して変化させることができる光受信デバイスを実現することができる。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
（実施形態）
図９は、Ｚ方向から見たときの、光デバイス１００の下部構造体１００ａの例を模式的に示す図である。図１０Ａから図１０Ｃは、それぞれ、図９に示すＡ−Ａ線断面、Ｂ−Ｂ線断面、およびＣ−Ｃ線断面を示す図である。図１０Ａから図１０Ｃは、光デバイス１００の下部構造体１００ａおよび上部構造体１００ｂの例を模式的に示す。以下では、図９および図１０Ａから図１０Ｃに示す例を参照して、本実施形態における光デバイス１００の例を説明する。
【００９６】
本実施形態における光デバイス１００は、第１の基板５０ａと、第２の基板５０ｂと、複数の隔壁７３と、１つ以上の第１の光導波路１０と、１つ以上のスペーサ７７と、シール部材７９と、１つ以上の第２の光導波路１１とを備える。以下の説明では、「第１の基板５０ａ」および「第２の基板５０ｂ」を、それぞれ「基板５０ａ」および「基板５０ｂ」と称し、「第１の光導波路１０」および「第２の光導波路１１」を、それぞれ「光導波路１０」および「光導波路１１」と称する。
【００９７】
本実施形態における光デバイス１００は、下部構造体１００ａと、上部構造体１００ｂとに分けることができる。
【００９８】
下部構造体１００ａは、基板５０ａと、電極６２ａと、ミラー４０と、誘電体層５１と、複数の隔壁７３と、１つ以上のスペーサ７７と、シール部材７９と、１つ以上の光導波路１１とを備える。基板５０ａは、Ｘ方向およびＹ方向に沿って拡がる表面を有する。基板５０ａ上には、電極６２ａが設けられている。電極６２ａ上には、ミラー４０が設けられている。ミラー４０上には、誘電体層５１が設けられている。誘電体層５１上には、複数の隔壁７３と、１つ以上のスペーサ７７と、シール部材７９と、１つ以上の光導波路１１とが設けられている。
【００９９】
上部構造体１００ｂは、基板５０ｂと、電極６２ｂと、ミラー４０とを備える。基板５０ｂは、基板５０ａに対向する。基板５０ｂ上には、電極６２ｂが設けられている。電極６２ｂ上には、ミラー３０が設けられている。
【０１００】
基板５０ａおよび基板５０ｂのうち、光が出射される側の基板は、透光性を有する。基板５０ａおよび基板５０ｂの両方が、透光性を有していていもよい。同様に、電極６２ａおよび電極６２ｂのうち、光が出射される側の電極は、透光性を有する。電極６２ａおよび電極６２ｂの両方が、透光性を有していていもよい。図９、および図１０Ａから図１０Ｃに示す例では、上部構造体１００ｂの電極６２ｂおよび基板５０ｂを介して、１つ以上の光導波路１０から、光が出射される。
【０１０１】
複数の隔壁７３は、基板５０ａと基板５０ｂとの間に位置し、Ｙ方向に配列されている。各隔壁７３は、Ｘ方向に沿って延びる。
【０１０２】
１つ以上の光導波路１０は、基板５０ａと基板５０ｂとの間に位置する。１つ以上の光導波路１０は、複数の隔壁７３の間に位置する。１つ以上の光導波路１０は、ミラー３０と、ミラー４０と、Ｘ方向の沿って延びる１つ以上の誘電体部材２１を備えるスローライト導波路である。１つ以上の誘電体部材２１は、例えば、液晶材料または電気光学材料を含む。１つ以上の誘電体部材２１は、ミラー３０とミラー４０との間に位置する。ミラー４０は、基板５０ａと１つ以上の誘電体部材２１との間に位置し、ミラー３０は、基板５０ｂと１つ以上の誘電体部材２１との間に位置するとも言い得る。各誘電体部材２１は、図２に示す光導波層２０に相当する。図９、および図１０Ａから図１０Ｃに示す例では、光導波層２０内の誘電体層５１の一部が除去され、ミラー４０の一部が露出している。その結果、光導波層２０は、ミラー３０とミラー４０とによって挟まれる。１つ以上の光導波路１０のミラー３０およびミラー４０の各々は、ＸＹ平面に沿って一体に構成されている。
【０１０３】
１つ以上の誘電体部材２１の屈折率は、複数の隔壁７３および誘電体層５１の屈折率よりも大きい。これにより、光導波層２０内を伝搬する光は、各隔壁７３およびその直下の誘電体層５１に漏れることはない。光導波層２０内を伝搬する光は、光導波層２０と各隔壁７３との界面、および、光導波層２０と誘電体層５１との界面では全反射される。
【０１０４】
一対の電極６２ａおよび電極６２ｂは、１つ以上の誘電体部材２１を直接的または間接的に挟む。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、１つ以上の誘電体部材２１の屈折率が調整される。その結果、１つ以上の光導波路１０から外部に出射される光の出射角度が変化する。
【０１０５】
なお、１つ以上の光導波路１０は、スローライト導波路である必要はない。１つ以上の光導波路１０は、例えば、全反射によって光を伝搬させる導波路であってもよい。当該導波路では、基板５０ａまたは５０ｂを介してではなく、光導波路１０の端部から、光が外部に出射される。
【０１０６】
１つ以上のスペーサ７７は、１つ以上の光導波路１０の周囲に位置する。図９に示す例では、複数の柱状のスペーサ７７が２次元的に配置されている。複数の柱状のスペーサ７７の配置は、規則的であってもよいし、不規則的であってもよい。ＸＹ平面内の各スペーサ７７の直径は、１０μｍから１００μｍである。図９に示す例では、１つ以上のスペーサ７７は、シール部材７９によって囲まれた領域内、および当該領域外に位置する。１つ以上のスペーサ７７は、当該領域内、および／または当該領域外に位置する。図９に示す例では、複数の光導波路１０および複数の光導波路１１を備える光デバイス１００において、１つ以上のスペーサ７７は、複数の光導波路１１のうち、隣り合う２つの光導波路１１の間に設けられている少なくとも１つのスペーサ７７を含む。１つ以上のスペーサ７７は、光導波層２０内に設けられてもよい。この場合、光導波層２０内を伝搬する光の密度は、各スペーサ７７の分だけ減少する。１つ以上のスペーサ７７は、シール部材７９によって囲まれた領域内および／または当該領域外では、１つの繋がった線状の形状を有していてもよい。当該線状の形状は、例えば、直線状、曲線状、波線状、またはジグザグ線状の形状である。
【０１０７】
下部構造体１００ａと上部構造体１００ｂとを貼り合わせる前では、Ｚ方向における各スペーサ７７の寸法は、Ｚ方向における各隔壁７３およびミラー３０の寸法の合計よりも大きい。また、Ｚ方向における各スペーサ７７の寸法は、Ｚ方向におけるシール部材７９の寸法よりも大きい。したがって、下部構造体１００ａと上部構造体１００ｂとを貼り付ける際、上部構造体１００ｂの電極６２ｂは、下部構造体１００ａの１つ以上のスペーサ７７と最初に接触する。そのため、シール部材７９と電極６２ｂとが接触する箇所、または、複数の隔壁７３のうちの１つの隔壁とミラー３０とが接触する箇所が支点になることはない。
【０１０８】
各スペーサ７７では、弾性変形が生じる。弾性体に力を加えてひずみが生じた場合、弾性率は、加えた力を生じたひずみで割ることによって定義される。各スペーサ７７の弾性率は、各隔壁７３およびミラー３０の弾性率よりも小さい。すなわち、各スペーサ７７は、各隔壁７３およびミラー３０よりも変形しやすい。下部構造体１００ａと上部構造体１００ｂとを貼り合わせたときに、各スペーサ７７はバネのように作用して圧縮する。これにより、複数の隔壁７３の上面とミラー３０の反射面とが均一に接触して、基板５０ａと基板５０ｂとの間隔が全体として均一になる。その結果、基板５０ａと基板５０ｂとが平行になる。このとき、Ｚ方向における各スペーサ７７の変形率は、各隔壁７３の変形率よりも大きい。各隔壁７３の変形率は、ゼロであってもよい。
【０１０９】
シール部材７９は、基板５０ａと基板５０ｂとの間隔を固定する。図９に示すように、シール部材７９は、Ｚ方向から見たときに、１つ以上の光導波路１０および複数の隔壁７３を囲む。シール部材７９は、Ｙ方向において、１つ以上の光導波路１１を跨ぐように設けられている。シール部材７９の上面は、ＸＹ平面に平行である。誘電体層５１上でのＺ方向におけるシール部材７９の寸法は、Ｚ方向における各隔壁７３の寸法およびミラー３０の寸法の合計と同じか、または、当該合計よりも大きい。シール部材７９は、例えば、紫外線硬化樹脂または熱硬化樹脂である。基板５０ａと基板５０ｂとの間隔を長期間維持できる部材であれば、シール部材７９は、紫外線硬化樹脂または熱硬化樹脂である必要はない。
【０１１０】
１つ以上の光導波路１１は、それぞれ１つ以上の光導波路１０に接続される。１つ以上の光導波路１１から、光が、それぞれ１つ以上の光導波路１０に供給される。図９、および図１０Ａから図１０Ｃに示す例では、１つ以上の光導波路１１は、誘電体層５１上に位置する。誘電体層５１は、基板５０ａと、１つ以上の光導波路１１との間に位置するとも言い得る。Ｚ方向における誘電体層５１の寸法を調整することにより、各光導波路１１を伝搬する光は、高効率で各光導波路１０に結合する。例えば、Ｚ方向における誘電体層５１の寸法は、各光導波路１１が、Ｚ方向における光導波層２０の中央付近に位置するように調整され得る。各光導波路１１は、全反射によって光を伝搬させる導波路である。そのため、各光導波路１１の屈折率は、誘電体層５１の屈折率よりも高い。なお、各光導波路１１は、スローライト導波路であってもよい。
【０１１１】
各光導波路１１は、複数の隔壁７３のうち隣り合う２つの隔壁の間に位置する部分を備える。各光導波路１１は、当該部分においてグレーティング１５を備えていてもよい。各光導波路１１の伝搬定数は、各光導波路１０の伝搬定数と異なる。グレーティング１５により、各光導波路１１の伝搬定数は、逆格子分だけシフトする。逆格子分だけシフトした各光導波路１１の伝搬定数が、各光導波路１０の伝搬定数と一致するとき、各光導波路１１を伝搬する光は、高効率で各光導波路１０に結合する。
【０１１２】
各光導波路１１は、Ｚ方向から見たとき、基板５０ａおよび基板５０ｂのいずれか一方と重ならない部分を備える。各光導波路１１は、当該重ならない部分で、グレーティング１３を備えていてもよい。図９、および図１０Ａから図１０Ｃに示す例では、各光導波路１１は、基板５０ｂと重ならない部分を備える。上記と同様の理由から、グレーティング１３により、外部から入力された光は、高効率で各光導波路１１に結合する。
【０１１３】
図１１Ａから図１１Ｃは、それぞれ、図１０Ａから図１０Ｃに示す下部構造体１００ａおよび上部構造体１００ｂを貼り合わせたときの光デバイス１００の例を模式的に示す図である。図１１Ａから図１１に示すように、１つ以上のスペーサ７７により、基板５０ａと基板５０ｂとが平行になる。１つ以上のスペーサ７７は、基板５０ａと基板５０ｂとによって直接的または間接的に挟持される。図１１Ａから図１１に示す例では、１つ以上のスペーサ７７は、下部構造体１００ａの誘電体層５１と、上部構造体１００ｂの電極６２ｂとによって直接的に挟持される。Ｚ方向における各スペーサ７７の寸法は、Ｚ方向における各隔壁７３の寸法よりも大きい。各スペーサ７７により、下部構造体１００ａと、上部構造体１００ｂと、シール部材７９とによって囲まれた領域の気密性が増加する。下部構造体１００ａおよび上部構造体１００ｂを貼り合わせた後、封入口７９ｏから、液晶材料が注入される。その後、封入口７９ｏは、シール部材７９と同じ部材によって閉じられる。このようにして密閉された領域は、全体的に液晶材料によって満たされる。当該領域は、基板５０ａと基板５０ｂとの間に位置し、シール部材７９によって囲まれた領域であるとも言い得る。当該領域は、１つ以上の誘電体部材２１と同じ部材によって満たされるとも言い得る。
【０１１４】
以下に、本実施形態における光デバイス１００の作製に用いられた構成要素の材料および寸法の詳細を説明する。以下、Ｚ方向における寸法を「厚さ」と称することがある。
【０１１５】
最初に、下部構造体１００ａの構成要素の材料および寸法の詳細を説明する。
【０１１６】
基板５０ａは、ＳｉＯ２層から形成される。Ｘ方向およびＹ方向における基板５０ａの寸法は、両方とも１５ｍｍであり、基板５０ａの厚さは、０．７ｍｍである。
【０１１７】
電極６２ａは、ＩＴＯスパッタ層から形成される。電極６２ａの厚さは、５０ｎｍである。
【０１１８】
ミラー４０は、多層反射膜である。多層反射膜は、Ｎｂ２Ｏ５層とＳｉＯ２層とを交互に蒸着して積層することによって形成される。Ｎｂ２Ｏ５層は、屈折率ｎ＝２．２８２および厚さ１００ｎｍを有する。ＳｉＯ２層は、屈折率ｎ＝１．４６８および厚さ２００ｎｍを有する。ミラー４０は、３１層のＮｂ２Ｏ５層、および３０層のＳｉＯ２層の合計６１層を有する。ミラー４０の厚さは、９．１μｍである。
【０１１９】
誘電体層５１は、ＳｉＯ２蒸着層から形成される。ＳｉＯ２蒸着層は、屈折率ｎ＝１．４６８および厚さ１．０μｍを有する。
【０１２０】
各光導波路１１は、Ｎｂ２Ｏ５蒸着層から形成される。Ｎｂ２Ｏ５蒸着層は、屈折率ｎ＝２．２８２および厚さ３００ｎｍを有する。各光導波路１１には、グレーティング１５およびグレーティング１３が形成される。グレーティング１５は、デューティ比１：１、およびピッチ６４０ｎｍを有する。グレーティング１３は、デューティ比１：１、およびピッチ６８０ｎｍを有する。グレーティング１５およびグレーティング１３は、フォトリソグラフィ法によるパターニングによって形成される。Ｙ方向における各光導波路１１の寸法は、１０μｍである。
【０１２１】
複数の隔壁７３は、ＳｉＯ２蒸着層から形成される。ＳｉＯ２蒸着層は、屈折率ｎ＝１．４６８および厚さ１．０μｍを有する。Ｙ方向における各隔壁７３の寸法は、５０μｍである。
【０１２２】
光導波層２０内では、誘電体層５１の一部は、フォトリソグラフィ法によるパターニングによって除去される。光導波層２０の厚さは、２．０μｍである。Ｙ方向における光導波層２０の寸法は、１０μｍである。
【０１２３】
次に、上部構造体１００ｂの構成要素の材料および寸法の詳細を説明する。
【０１２４】
基板５０ｂは、ＳｉＯ２層から形成される。Ｘ方向およびＹ方向における基板５０ａの寸法は、それぞれ８ｍｍおよび２０ｍｍであり、基板５０ａの厚さは、０．７ｍｍである。
【０１２５】
電極６２ｂは、ＩＴＯスパッタ層から形成される。電極６２ｂの厚さは、５０ｎｍである。
【０１２６】
ミラー３０は、多層反射膜である。多層反射膜は、Ｎｂ２Ｏ５層とＳｉＯ２層とを交互に蒸着して積層することによって形成される。Ｎｂ２Ｏ５層は、屈折率ｎ＝２．２８２および厚さ１００ｎｍを有する。ＳｉＯ２層は、屈折率ｎ＝１．４６８および厚さ２００ｎｍを有する。ミラー３０は、７層のＮｂ２Ｏ５層、および６層のＳｉＯ２層の合計１３層を有する。ミラー３０の厚さは、１．９μｍである。
【０１２７】
次に、各スペーサ７７およびシール部材７９の材料および寸法の詳細を説明する。
【０１２８】
各スペーサ７７には、積水化学製のミクロパールＥＸ−００３が用いられる。下部構造体１００ａと上部構造体１００ｂとを貼り合わせる前では、Ｚ方向における各スペーサ７７の寸法は、３．０μｍである。各スペーサ７７の当該寸法は、各隔壁７３の厚さ１μｍおよびミラー３０の厚さ１．９μｍの合計２．９μｍよりも大きい。
【０１２９】
１つ以上の誘電体部材２１には、５ＣＢ液晶が用いられる。
【０１３０】
シール部材７９には、スリーボンド製の紫外線硬化接着剤３０２６Ｅが用いられる。波長３６５ｎｍおよびエネルギー密度１００ｍＪ／ｃｍ２の紫外線照射によってシール部材７９を硬化して、下部構造体１００ａおよび上部構造体１００ｂが貼り合わせられる。これにより、本実施形態における光デバイス１００が得られる。
【０１３１】
なお、基板５０ａおよび基板５０ｂは、ＳｉＯ２から形成されなくてもよい。基板５０ａおよび基板５０ｂは、例えば、ガラスもしくはサファイアなどの無機基板、または、アクリルもしくはポリカーボネートなどの樹脂基板であってもよい。これらの無機基板および樹脂基板は、透光性を有する。
【０１３２】
光が出射されるミラー３０の透過率は、例えば９９．９％であり、光が出射されないミラー４０の透過率は、例えば９９．９９％である。この条件は、多層反射膜の層数の調整によって実現することができる。多層反射膜内の２つの層の組み合わせとして、例えば、一方の層の屈折率は２以上であり、他方の層の屈折率は２未満である。２つの屈折率の差が大きければ、高い反射率を得ることできる。屈折率が２以上の層は、例えば、ＳｉＮｘ、ＡｌＮｘ、ＴｉＯｘ、ＺｒＯｘ、ＮｂＯｘ、またはＴａＯｘから形成される。屈折率が２未満の層は、例えば、ＳｉＯｘまたはＡｌＯｘから形成される。
【０１３３】
誘電体層５１の屈折率は、例えば２未満であり、各光導波路１１の屈折率は例えば２以上である。２つの屈折率の差が大きければ、各光導波路１１から誘電体層５１に染み出すエバネッセント光を減らすことができる。
【０１３４】
次に、図９に示すａからｉの箇所、およびαからδの箇所での間隔を測定した結果を説明する。当該間隔は、リタデーション測定によって調べられた。当該測定では、７５個の光導波路１０が用いられた。ａ、ｂ、およびｃの箇所、またはｇ、ｈ、およびｉの箇所は、複数の隔壁７３のうち端の隔壁の３つの箇所である。ｄ、ｅ、およびｆの箇所は、複数の隔壁７３のうち中央の隔壁の３つの箇所である。αからδの箇所は、シール部材７９に囲まれた領域の４つのコーナーの箇所である。
【０１３５】
ａからｉの箇所での間隔は、Ｚ方向における各隔壁７３とミラー３０との間隔であり、当該間隔の理論値は０ｎｍである。αからδの箇所での間隔は、Ｚ方向における誘電体層５１と電極６２ｂのとの間隔であり、当該間隔の理論値は２．９μｍである。
【０１３６】
表１は、１つ以上のスペーサ７７が存在しない場合の、ａからｉの箇所、およびαからδの箇所での間隔を表す。
【０１３７】
【表１】
2020059226.tif 000005
【０１３８】
１つ以上のスペーサ７７が存在しない場合、ａからｉの箇所での間隔の平均は、０．１４６μｍであり、その標準偏差は、０．１２８μｍである。αからδの箇所での間隔の平均は、３．１０μｍであり、その標準偏差は、０．１５４μｍである。したがって、間隔の平均は前述の理論値から比較的大きくずれ、間隔のばらつきも大きく、間隔は均一ではない。
【０１３９】
表２は、１つ以上のスペーサ７７が存在する場合の、ａからｉの箇所、およびαからδの箇所での間隔を表す。
【０１４０】
【表２】
2020059226.tif 000006
【０１４１】
１つ以上のスペーサ７７が存在する場合、ａからｉの箇所での間隔の平均は、０．０１μｍであり、その標準偏差は、０．００４μｍである。αからδの箇所での間隔の平均は、２．９４μｍであり、その標準偏差は、０．００７μｍである。したがって、間隔の平均は前述の理論値に近く、間隔のばらつきは十分小さく、間隔は均一であるということができる。すなわち、本実施形態における光デバイス１００では、１つ以上のスペーサ７７により、基板５０ａと基板５０ｂとの間隔の均一性を大幅に改善することができる。
【０１４２】
また、本実施形態の光デバイス１００では、上部構造体１００ｂのスペーサ７７が形成される領域には、第１のミラー３０が形成されていない。このような構成により、スペーサ７７およびシール部材７９が形成される領域では、Ｚ方向の間隔を広く取ることができる。その結果、硬化前の液状であるシール部材７９が必要以上に広がらない。また、もし下部構造体１００ａと上部構造体１００ｂとを貼り合わせる際にＺ方向の間隔よりも大きなパーティクルが混入した場合、貼り合わせ後の間隔が不均一になる可能性がある。しかし、本実施形態では特にパーティクルが混入しやすい周囲部でのＺ方向の間隔を大きくしている。このため、貼り合わせ後の間隔を均一にすることができる。
【０１４３】
なお、スペーサ７７が形成される領域では、第２のミラー４０が形成されない構成とすることもできる。また、第１のミラー３０および第２のミラー４０の双方が形成されない構成としてもよい。
【０１４４】
＜第１の変形例＞
図１２Ａは、第１の変形例における光デバイス１０３の構成を示す図である。図１２Ａでは、光デバイス１０３における図９のＣ−Ｃ線断面図に対応する図面であり、下部構造体１０３ａおよび上部構造体１０３ｂを貼り合わせる前および後の構成を示している。前述の実施形態ではスペーサ７７が形成される領域では上部構造体１００ｂの第１のミラー３０が形成されていなかった。これに対し、本変形例では、スペーサ７７が形成される領域においてもミラー３１が形成されている。このため、光導波層２０から漏れ出た迷光がミラー３１とミラー４０とによって閉じ込められ、基板５０ａの端部まで導波する。これにより、光デバイスからの出射光に迷光が混入することを抑制することができる。
【０１４５】
＜第２の変形例＞
図１２Ｂは、第２の変形例における光デバイス１０４の構成を示す図である。第１の変形例では、基板５０ｂの全面にミラー３１が形成されている。一方、本変形例では、スペーサ７７が形成される領域において、光導波層２０が形成される領域よりもミラー３２の厚さが薄くなっている。厚さが薄いミラー３２は、例えば多層反射膜の積層数を減らすことによって実現することができる。このような構成では、前述したパーティクルによる貼り合わせムラを低減する効果と、出射光への迷光の混入を低減する効果とを両立することが可能になる。
【０１４６】
次に、本実施形態における光デバイス１００から出射された光を測定した結果を説明する。
【０１４７】
図１３は、光デバイス１００からの光の出射を模式的に示す図である。図１３に示す例では、光デバイス１００から出射された光は、出射角度θ＝６０°の方向に固定された不図示の光検出器によって測定された。当該測定では、５８９ｎｍのレーザー光が、グレーティング１３を介して各光導波路１１に入力された。１つ以上のスペーサ７７が存在する場合、１つ以上のスペーサ７７が存在しない場合と比較して、測定された光の強度は、約１００倍から約１０００倍高いことがわかった。すなわち、本実施形態における光デバイス１００では、１つ以上のスペーサ７７により、出射される光の強度、および出射角度の精度を大幅に改善することができる。
【０１４８】
＜応用例＞
図１４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１４に示す例において、チップ上には電極６２Ａと、複数の電極６２Ｂとが設けられている。導波路アレイ１０Ａには、電極６２Ａから制御信号が供給される。位相シフタアレイ８０Ａにおける複数の位相シフタ８０には、複数の電極６２Ｂから制御信号がそれぞれ送られる。電極６２Ａ、および複数の電極６２Ｂは、上記の制御信号を生成する不図示の制御回路に接続され得る。制御回路は、図１４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。
【０１４９】
図１４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１４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。
【０１５０】
図１５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。
【０１５１】
図１６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。
【０１５２】
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。
【０１５３】
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。
【０１５４】
＜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調整素子とを備える。導波路アレイ１０Ａの各第１のミラー３０は、第３の方向から第１の反射面の反対側に入射する光を透過させる。導波路アレイ１０Ａの各光導波層２０は、第２の方向に第１のミラー３０を透過した光を伝搬させる。第１調整素子が各導波路素子１０における前記光導波層２０の屈折率および厚さ、ならびに光の波長の少なくとも１つを変化させることにより、受信可能な光の方向を変化させることができる。さらに、光受信デバイスが、光スキャンデバイスと同一の複数の位相シフタ８０、または８０ａおよび８０ｂと、複数の導波路素子１０から複数の位相シフタ８０、または８０ａおよび８０ｂを通過して出力される光の位相の差をそれぞれ変化させる第２調整素子を備える場合には、受信可能な光の方向を２次元的に変化させることができる。
【０１５５】
例えば図１４に示す光スキャンデバイス１００における光源１３０を受信回路に置換した光受信デバイスを構成することができる。導波路アレイ１０Ａに波長λの光が入射すると、その光は位相シフタアレイ８０Ａを通じて光分岐器９０へ送られ、最終的に一箇所に集められ、受信回路に送られる。その一箇所に集められた光の強度は、光受信デバイスの感度を表すといえる。光受信デバイスの感度は、導波路アレイおよび位相シフタアレイ８０Ａに別々に組み込まれた調整素子によって調整することができる。光受信デバイスでは、例えば図４において、波数ベクトル（図中の太い矢印）の方向が反対になる。入射光は、導波路素子１０が延びる方向（図中のＸ方向）の光成分と、導波路素子１０の配列方向（図中のＹ方向）の光成分とを有している。Ｘ方向の光成分の感度は、導波路アレイ１０Ａに組み込まれた調整素子によって調整できる。一方、導波路素子１０の配列方向の光成分の感度は、位相シフタアレイ８０Ａに組み込まれた調整素子によって調整できる。光受信デバイスの感度が最大になるときの光の位相差Δφ、光導波層２０の屈折率ｎｗおよび厚さｄから、図４に示すθおよびα０がわかる。これにより、光の入射方向を特定することができる。
【０１５６】
以上から、図１１Ａから図１１Ｃに示す例を参照して、本実施形態における光デバイス１００の、光スキャンデバイスまたは光受信デバイスとしての構成および動作をまとめると、以下のようになる。
【０１５７】
本実施形態における光デバイス１００では、１つ以上の誘電体部材２１は、液晶材料または電気光学材料を含む。１つ以上の誘電体部材２１は、電圧を印加するために一対の電極６２ａおよび電極６２ｂによって挟まれる。すなわち、１つ以上の光導波路１０は、１つ以上の誘電体部材２１の屈折率を調整することが可能な構造を備える。
【０１５８】
本実施形態における光デバイス１００を光スキャンデバイスとして用いる場合、１つ以上の誘電体部材２１の屈折率を調整することにより、１つ以上の光導波路１０から基板５０ａまたは基板５０ｂを介して出射する光の方向が変化する。より具体的には、当該光の波数ベクトルのＸ方向の成分が変化する。
【０１５９】
本実施形態における光デバイス１００を光受信デバイスとして用いる場合、１つ以上の誘電体部材２１の屈折率を調整することにより、基板５０ａまたは基板５０ｂを介して１つ以上の光導波路１０に取り込まれる光の入射方向が変化する。より具体的には、当該光の波数ベクトルのＸ方向の成分が変化する。
【０１６０】
本実施形態における光デバイス１００は、１つ以上の光導波路１０に、それぞれ直接的にまたは他の導波路を介して繋がる１つ以上の位相シフタ８０をさらに備えてもよい。
【０１６１】
本実施形態における光デバイス１００を光スキャンデバイスとして用いる場合、１つ以上の位相シフタ８０を通過する光の位相の差を変化させることにより、１つ以上の光導波路１０から基板５０ａまたは基板５０ｂを介して出射する光の方向が変化する。より具体的には、当該光の波数ベクトルのＹ方向の成分が変化する。
【０１６２】
本実施形態における光デバイス１００を光受信デバイスとして用いる場合、１つ以上の位相シフタ８０を通過する光の位相の差を変化させることにより、基板５０ａまたは基板５０ｂを介して１つ以上の光導波路１０に取り込まれる入射方向が変化する。より具体的には、当該光の波数ベクトルのＹ方向の成分が変化する。
【０１６３】
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】
【０１６４】
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】
【０１６５】
１０      導波路素子、光導波路
１１      光導波路
１０Ａ    導波路アレイ
１３      グレーティング
１５      グレーティング
２０      光導波層
２２      誘電体部材
３０      第１のミラー
４０      第２のミラー
５０ａ、５０ｂ      基板
５１      誘電体層
６２ａ、６２ｂ、６２Ａ、６２Ｂ      電極
７３      隔壁
７７      スペーサ
７９      シール部材
８０      位相シフタ
８０Ａ    位相シフタアレイ
９０      光分岐器
１００    光デバイス、光スキャンデバイス
１１０    導波路アレイの駆動回路
１３０    光源
２１０    位相シフタアレイの駆動回路
３１０    ビームスポット
４００    光検出器
５００    制御回路
６００    信号処理回路
【図１】
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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６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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