JP 2016-122062 A 2016.7.7(57)【要約】（修正有）【課題】制御精度の低下や色見の変化を生じずに、導波路の伝搬方向から導波路の厚さ方向に回折させた光を伝搬方向に近づけるように偏向角を制御できる光偏向素子を提供する。
【解決手段】光偏向素子は、クラッド層２０と、電気光学材料によってクラッド層の内部に形成され、基板に平行でかつ光波の進行する方向と垂直なＸ方向、光波の進行するＹ方向、基板と垂直なＺ方向を有し、Ｙ方向に伸延し、Ｘ方向の幅を有するコア層３０と、クラッド層の第１表面に導電薄膜によって形成される第１電極４０Ａと、クラッド層の第２表面に形成され、クラッド層及びコア層を挟んで第１電極と対向する第２電極４０Ｂと、クラッド層、コア層、第１電極、又は第２電極に形成され、コア層の内部を伝搬する光をＸ方向とＹ方向によって規定される第１平面に対する仰角の方向に偏向する回
折格子３１Ａを含み、第１電極と第２電極との間に印加される電圧に応じて第１仰角を制御する。
【選択図】図２

(2)JP 2016-122062 A 2016.7.7【特許請求の範囲】【請求項１】
光導波路において、基板に平行でかつ光波の進行する方向と垂直方向をＸ方向、光波の進行する方向をＹ方向、基板と垂直方向をＺ方向と定義し、第１表面と、前記第１表面の反対側に位置する第２表面とを有するクラッド層と、電気光学材料によって前記クラッド層の内部に形成され、Ｙ方向に伸延し、Ｘ方向の有
限の幅を有するコア層と、平面視で前記コア層と重なるように前記クラッド層の前記第１表面に導電薄膜によって形成される第１電極と、平面視で前記コア層と重なるように前記クラッド層の前記第２表面に形成され、前記ク
ラッド層及び前記コア層を挟んで前記第１電極と対向する第２電極と、前記クラッド層、前記コア層、前記第１電極、又は前記第２電極に形成され、前記コア層の内部を前記Ｙ方向に沿って伝搬する光を前記Ｘ方向とＹ方向によって規定される第１平面に対して第１仰角θの方向に偏向する回折格子とを含み、前記第１電極と前記第２電極との間に印加される電圧に応じて前期第１電極と第２電極の間に印加する電界制御により前期第１仰角θを制御する光偏向素子。
【請求項２】
前記回折格子は、前記コア層の前記第１表面側に位置する面に形成される、請求項１記
載の光偏向素子。
【請求項３】
前記回折格子は、前記第１電極に形成される開口部によって実現されており、前記コア層の内部を伝搬する光は、前記開口部によって偏向されるとともに、前記開口部を通過して出射される、請求項１記載の光偏向素子。
【請求項４】
前記回折格子は複数あり、
前記第１電極は、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧が印加されると、平面視での位置によって電位勾配が形成されるように薄膜化されており、
前記第１電極と前記第２電極との間に印加される電圧に応じて、前記複数の回折格子によって偏向される光の前記第１仰角に分布が生じる、請求項１乃至３のいずれか一項に記
載の光偏向素子。
【請求項５】
前記第１電極の厚さは、１００ｎｍ以下である、請求項４記載の光偏向素子。
【請求項６】
前記コア層によって実現される光導波路における前記回折格子よりも上流側の位置において、前記コア層と平面視で重なるように配置され、前記コア層の屈折率を制御することにより、前記コア層の内部を前記Ｙ方向に沿って伝搬する光を前記Ｘ方向とＹ方向によって規定される第１平面に対して仰角θ の方向に偏向する、偏向制御部をさらに含む、請求項１乃至５のいずれか一項記載の光偏向素子。
【発明の詳細な説明】【技術分野】【０００１】
本発明は、非線形光学材料を用いた光学素子、特に電気光学効果に基づいて、電圧を印加することによって、電気的に屈折率、あるいは位相、光強度の制御を行う機能を有する
光偏向素子に関する。本発明の光偏向素子は、光偏向を使った装置、例えば立体ディスプ
レイや光スイッチなどの特に電気的に光の偏向方向を可変する装置などに利用することができる。
【背景技術】【０００２】
従来、人間の目に自然な立体表示を提供する表示装置として、インテグラルフォトグラ

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フ ィ ー （ IP） 立 体 表 示 装 置 が 提 案 さ れ て い る 。 こ の 表 示 装 置 に つ い て は 、 投 射 型 デ ィ ス プ
レイとレンズアレーを組み合わせた立体表示装置が試作されている（例えば、非特許文献１参照）。従来のＩＰ立体表示装置において、各画素から射出される光線数は、１画素に対して一つの方向（一方向）に限定されている。各画素から射出される光線数が一つに限定されているため、ＩＰ立体表示装置の解像度は特に遠景と近景が低下すること、さらには、立体表示の視域角が狭いことが課題となっている（例えば、非特許文献１参照）。今後、ＩＰ立体表示の解像度をさらに拡大させるためには、電気的に偏向方向を可変することで、１画素から複数方向へ光線を射出させることができるＩＰ立体表示装置の開発が望まれている。
【０００３】
本願の発明者らは、逆圧電効果とポッケルス効果を利用して動的に出射方向を変化させることができる発光素子を用いたＩＰ立体表示装置を提案している（特許文献１参照）。
このような新しいＩＰ立体表示装置では、画素から射出される光の偏向方向を可変することで一つの画素から複数の方向に光線が射出されるため、１画素が従来の複数画素分の働きをして画素数が増えることで解像度が向上する。このため、遠景から近景まで広い範囲
で解像度が高まり、奥行方向の立体解像度が向上し、さらには視域角の拡大も可能となる。１画素から複数方向に光線射出を可能とする偏向制御技術として、発光素子に比べてさらに高速変調と波面制御が容易な電気光学効果を使った光フェーズドアレイの適用が考え
ら れ る 。 電 気 光 学 効 果 の 材 料 開 発 と し て は 、 近 年 、 100GHｚ 以 上 の 超 高 速 変 調 を 可 能 と する有機電気光学ポリマー材料の開発も進んでいる（例えば、非特許文献２参照）。
【０００４】
電気光学効果は、媒質に印加される外部電界の大きさに比例して、屈折率が変化する効果 で あ る 。 外 部 電 場 が 屈 折 率 に 与 え る 効 果 に つ い て は 次 式 (1)で 求 め る こ と が で き る 。
Δ ｎ ＝ ｎ 0＾ 3・ ｒ ・ E/2（ 1）
こ こ で 、 Δ ｎ は 屈 折 率 変 化 、 ｎ 0は 電 界 を 印 加 し て い な い 場 合 の 屈 折 率 、 ｒ は 電 気 光 学
テ ン ソ ル に よ る 電 気 光 学 係 数 、 Eは 媒 質 に 印 加 さ れ る 電 界 を 表 す 。
【０００５】
こ の 電 気 光 学 係 数 ｒ は 、 最 も 広 く 用 い ら れ て い る LiNbO3の 場 合 で も 30ｐ ｍ /V（ ｐ ピ コ ：10＾ -12） 、 最 近 注 目 さ れ て い る 有 機 EOポ リ マ ー の 場 合 で あ っ て も 、 最 大 200〜 300ｐ ｍ /V
程 度 と 大 変 小 さ い 効 果 で あ る 。 こ の た め 、 10＾ 6V/mの 高 電 界 を 媒 体 に 印 加 し た 場 合 で あ って も 屈 折 率 変 化 を 1％ 得 る こ と は 容 易 で は な い （ 例 え ば 、 非 特 許 文 献 ２ 参 照 ） 。
【０００６】
そこで、電界を印加した際の媒質における光の伝搬距離（光路長）を長くとって、屈折率すなわち光の位相変化を大きくとる工夫が施されてきた。
【０００７】
一般に、電気光学効果を有する媒質からなる光導波路において、導波路の上下に平行電極 を 配 置 し た 構 造 が 用 い ら れ て い る 。 こ の 媒 質 の 電 極 間 で 挟 ま れ た 領 域 の 長 さ Lと し 、 電
圧 Vを 印 加 し た 場 合 を 想 定 す る と 光 学 的 な 位 相 シ フ ト 量 Δ φ は 、 次 式 (2)で 求 め る こ と が できる。
Δ φ ＝ π ｎ 0＾ 3・ ｒ ・ V・ L/（ λ ・ ｄ ）（ 2）
こ こ で 、 Lは 電 圧 が 印 加 さ れ る 際 の 光 の 伝 搬 方 向 で の 光 路 長 、 λ は 光 の 波 長 で あ る 。
【０００８】(2)式 に お い て 、 光 の 伝 搬 方 向 に つ い て 光 路 長 Lを 長 く と る こ と に よ り 、 電 気 光 学 乗 数 ｒの 値 が 小 さ く 、 ま た 印 加 電 圧 Vが 小 さ い 場 合 に も 、 電 圧 が 印 加 さ れ る 光 路 長 を 長 く と る ことによって、大きな位相シフト量を生じさせることが可能となる。
【０００９】（ 2） 式 に お い て 、 電 気 光 学 効 果 の 位 相 が 位 相 変 調 さ れ る 目 安 と し て 、 位 相 が 180° シ フ
ト さ れ る 場 合 の 電 圧 Vに つ い て は 、 特 に 次 式 (3)に よ っ て 定 義 す る こ と が で き る 。
V π ＝ λ /（ ｎ 0＾ 3・ ｒ ） ・ ｄ /L
（ 3）（ 3） 式 中 の 係 数 ｎ 0＾ 3・ ｒ や V π Lの 大 き さ に つ い て 、 電 気 光 学 効 果 の 材 料 性 能 指 数 と

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して評価することが広く行われている（例えば、非特許文献２参照）。
【００１０】（ 2） 式 に お い て 、 導 波 路 の 途 中 に 例 え ば 上 方 に 形 成 し た 三 角 形 の 形 状 を 有 す る 電 極 と下方に形成した全面電極の間に加える電圧を変化させると、光の伝搬方向（導波路の長手方向）に垂直な方向（導波路の幅方向）に光を偏向制御させることが可能となる。このような導波路構造については、スラブ型が提案されている（例えば、特許文献２）。
【００１１】
一方、複数個の導波路をアレイ状に並置し、それら導波路の上方に回折格子を形成し、導波路内を伝搬する光について回折格子を介して、導波路の上方に取り出し、光を導波路の幅方向に偏向制御するアレイ型の方法も提案されている。このアレイ型では、その際、回折格子を離散的に並べて、それぞれの開口部から光線を射出させる。その際、加熱による屈折率の変化を利用した熱光学効果による光を偏向制御する方法と回折格子を導波路の上方全面に形成して光線を射出させる方法とを組み合わせた光フェーズドアレイが提案されている（例えば、非特許文献３参照）。
【００１２】
ここで、上で述べた電気光学効果による偏向制御と複数の導波路を複数本並置したアレ
イ型導波路において、アレイの伝搬方向に垂直な方向に刻みを入れた回折格子を導波路上に 形 成 す る こ と に よ る 光 フ ェ ー ズ ド ア レ イ が 構 成 で き る 。 こ こ で は 、 図 1を 用 い て 、 こ の光フェーズドアレイから射出される光線の主軸方向の制御法について述べる。
【００１３】
図 1に 示 す 光 偏 向 素 子 １ ０ の ア レ イ 型 導 波 路 １ １ を 平 面 か ら 見 て 垂 直 方 向 を Ｚ 軸 方 向 と規定し、アレイ型導波路１１における光の進行方向をＹ軸、アレイ型導波路１１の幅方向をＸ軸とするＸＹＺ座標系を規定する。アレイ型導波路１１は、板状のクラッドの上面側に形成されており、屈折率を制御することによりアレイ型導波路１１を伝搬する光の位相を制御する位相制御部１３も形成されている。
【００１４】
図１において、ＸＺ平面内においてＺ軸正方向に伝搬する光をＸ軸に近づけるように偏向する偏向角をΨ、ＹＺ平面内においてＺ軸正方向に伝搬する光をＹ軸に近づけるように
偏 向 す る 偏 向 角 を θ と す る 。 こ の 場 合 に 、 偏 向 角 Ψ は 次 式 (4)で 与 え ら れ る 。
sinΨ ＝ λ ・ δ /（ 2π ・ ｓ ）（ 4）
こ こ で 、 δ は 、 導 波 路 開 口 間 の 位 相 差 、 ｓ は 導 波 路 間 の 距 離 で あ る 。 （ 4） 式 は 、 一 般 的なフェーズドアレイアンテナの場合の位相整合条件と同じである。
【００１５】ま た 、 偏 向 角 θ は 次 式 (5)で 与 え ら れ る 。
sinθ ＝ （ Λ ・ Ｎ e− λ ） /（ ｎ ｃ ｔ ・ Λ ）（ 5）
こ こ で 、 Λ は 回 折 格 子 １ １ Ａ の 刻 み 幅 （ ピ ッ チ ） 、 Ｎ eは 導 波 路 の 伝 搬 モ ー ド の 実 行 屈 折
率、ｎｃｔは、導波路から光が射出された際の周囲媒質（例えば空気）の屈折率である。
【００１６】（ 4） 式 に よ っ て 示 さ れ て い る よ う に 、 偏 向 角 Ψ を 調 整 す る に は 、 ア レ イ 型 導 波 路 １ １を伝搬する複数の光の位相を変化させればよい。これは、位相制御部１３の三角形状の電極１３Ａと下部電極１３Ｂとの間に印加する電圧を制御することによって実現可能となる。その際、アレイ型導波路１１における光の伝搬方向（ｙ軸正方向）に対して、アレイ型
導波路の上下に挟んだ電極１３Ａ、１３Ｂによって、アレイ型導波路１１の伝搬特性を電
気 制 御 す る こ と か ら 、 伝 搬 す る 光 の 電 界 振 幅 が 基 板 と 垂 直 な 偏 光 成 分 を 有 す る た め 、 TMモードである。
【００１７】
アレイ型導波路１１のＹ軸負方向側の導波路端面に光源を置いた（正確にはＹ軸負方向
において無限遠に線光源を配設した）場合、光源から放射される光波の一部は、導波路端面で全反射されて、その中で特定の位相成分をもつ光波成分は、アレイ型導波路１１の層内に閉じ込められて導波モードとして伝搬する。この導波モード以外の光波成分は、アレ

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イ型導波路１１内で生じる干渉によって、互いに打ち消しあって伝搬できない。
【００１８】
一 方 、 偏 向 角 θ の 調 整 を 実 現 さ せ る た め に は 、 （ 5） 式 に お い て 、 Neは 、 一 般 的 に 温 度
依 存 性 が あ る た め 、 光 フ ェ ー ズ ド ア レ イ の 温 度 制 御 を 行 う か 、 ま た は 、 （ 5） 式 に お い て、入力光の波長λを変化させればよい（例えば、非特許文献３参照）。
【先行技術文献】【非特許文献】【００１９】【 非 特 許 文 献 １ 】 NHK技 研 R&D No.144 （ 2014） 「 3次 元 映 像 技 術 の 特 集 号 」【 非 特 許 文 献 ２ 】 情 報 通 信 研 究 機 構 研 究 報 告 Vol.59 No1 (2013) pp.3-10【 非 特 許 文 献 ３ 】 K. V. Acoleyen et. al. OPTICS LETTERS Vol. 34, No. 9 (2009) pp.1
477-1479.
【特許文献】【００２０】【 特 許 文 献 １ 】 特 願 2012-222287号 公 報【 特 許 文 献 ２ 】 特 開 2003-84323号 公 報【発明の概要】【発明が解決しようとする課題】【００２１】
上述のように、一般的な光フェーズドアレイの構成においては、偏向角θを制御するた
めには、温度制御もしくは入力光の波長制御が行われてきた。
【００２２】
温度制御によって、偏向角θを制御する場合、加熱に対して光導波路はマイクロ秒程度の比較的高速な応答速度をもつものの、温度の下降に関しては、熱容量の点からミリ秒以上の応答速度が遅いことが課題となっている。また、アレイ型導波路の平面（上述のＸＹ平面）内における温度ムラが、偏向角θの制御の精度を低下させるという問題がある。
【００２３】
一方、導波路の入力光の波長を変えることで、偏向角θを制御することが行われている。入力光の波長制御により偏向角θを制御する場合、回折格子から射出される光線の偏向
角θを制御できるものの、偏向角θによって発光波長が変わってしまうという課題が生じる。このため、このような光フェーズドアレイ素子を、例えばディスプレイ応用として使った場合には、ディスプレイを見る角度によって色見が変わってしまうという課題がある。
【００２４】
そこで、制御精度の低下、及び、色見の変化を生じさせることなく、導波路の伝搬方向から導波路の厚さ方向に回折させた光を伝搬方向に近づけるように偏向角を制御できる（
すなわち上述の偏向角θを制御できる）光偏向素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】【００２５】
本発明の実施の形態の光偏向素子は、光導波路において、基板に平行でかつ光波の進行する方向と垂直方向をＸ方向、光波の進行する方向をＹ方向、基板と垂直方向をＺ方向と定義し、第１表面と、前記第１表面の反対側に位置する第２表面とを有するクラッド層と、電気光学材料によって前記クラッド層の内部に形成され、Ｙ方向に伸延し、Ｘ方向の有
限の幅を有するコア層と、平面視で前記コア層と重なるように前記クラッド層の前記第１表面に導電薄膜によって形成される第１電極と、平面視で前記コア層と重なるように前記
クラッド層の前記第２表面に形成され、前記クラッド層及び前記コア層を挟んで前記第１電極と対向する第２電極と、前記クラッド層、前記コア層、前記第１電極、又は前記第２電極に形成され、前記コア層の内部を前記Ｙ方向に沿って伝搬する光を前記Ｘ方向とＹ方向によって規定される第１平面に対して第１仰角θの方向に偏向する回折格子とを含み、前記第１電極と前記第２電極との間に印加される電圧に応じて前期第１電極と第２電極の

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間に印加する電界制御により前期第１仰角θを制御する。
【発明の効果】【００２６】
本発明によれば、制御精度の低下、及び、色見の変化を生じさせることなく、導波路の伝搬方向から導波路の厚さ方向に回折させた光を伝搬方向に近づけるように偏向角を制御できる光偏向素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】【００２７】【図１】比較用の光偏向素子１０を示す図である。
【図２】実施の形態１の光偏向素子１００を示す図である。
【図３】実施の形態１の光偏向素子１００を示す図である。
【図４】金薄膜の膜厚とシート抵抗との関係を示す特性図である。
【図５】光偏向素子１００の導波モードと偏向角θを示す図である。
【図６】光偏向素子１００の導波モードと偏向角θを示す図である。
【図７】光偏向素子１００の導波モードと偏向角θを示す図である。
【図８】光偏向素子１００の導波モードと偏向角θを示す図である。
【図９】光偏向素子１００の導波モードと偏向角θを示す図である。
【図１０】実施の形態２の光偏向素子２００を示す図である。
【図１１】光偏向素子２００の導波モードと偏向角θを示す図である。
【図１２】光偏向素子２００の導波モードと偏向角θを示す図である。
【図１３】光偏向素子２００の導波モードと偏向角θを示す図である。
【図１４】光偏向素子２００の導波モードと偏向角θを示す図である。
【図１５】光偏向素子２００の導波モードと偏向角θを示す図である。
【発明を実施するための形態】【００２８】
以下、本発明の光偏向素子を適用した実施の形態について説明する。
【００２９】＜実施の形態１＞
図２及び図３は、実施の形態１の光偏向素子１００を示す図である。なお、図２及び図３では、共通の直交座標系であるＸＹＺ座標系を用いて説明する。
【００３０】
図２に示すように、光偏向素子１００は、基板１０、クラッド層２０、コア層３０、偏向制御部４０（電極４０Ａ、４０Ｂ）、及び位相制御部５０（電極５０Ａ、５０Ｂ）を含む。図３（Ａ）には、図２（Ａ）におけるＡ−Ａ矢視断面を示し、図３（Ｂ）には、図２（Ａ）におけるＢ−Ｂ矢視断面を示す。
【００３１】
基 板 １ ０ は 、 例 え ば 、 バ ッ フ ァ ー 層 と し て 酸 化 シ リ コ ン （ Ｓ ｉ Ｏ 2） 層 で 被 膜 し た シ リ
コン（Ｓｉ）ウェハ基板を用いることができる。基板１０は、一つの面に電極４０Ｂ、５０Ｂを形成し易い基板であることが好ましいが、シリコン基板に限られず、例えば、ガラ
スや石英、さらに樹脂等の絶縁体製の基板であってもよい。
【００３２】
また、ここでは、基板１０が平面視（ＸＹ面視）でクラッド層２０と同一の矩形形状を有する形態について説明する。しかしながら、基板１０は、平面視でクラッド層２０よりも大きくてもよい。
【００３３】
クラッド層２０は、基板１０のＺ軸正方向側の面に形成される。クラッド層２０は、平面視で矩形状であり、平面視のサイズは基板１０と等しい。また、クラッド層２０の厚さ
は 、 一 例 と し て 2μ ｍ で あ る 。 ク ラ ッ ド 層 ２ ０ の 厚 さ は 、 光 の 伝 搬 方 向 に 垂 直 な 方 向 へ のビーム広がりを考慮することで、光の減衰が少なくなるように、適切な厚さに設定すればよい。また、上記のクラッド層の厚さと同様の理由から、シリコン基板など基板として屈

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折率の大きい基板を用いる場合にも、下部電極４０Ｂおよび５０Ｂと基板との間に、コア
層 ３ ０ よ り も 屈 折 率 の 小 さ い 例 え ば Ｓ ｉ Ｏ 2な ど の バ ッ フ ァ ー 層 を 設 け る こ と が 有 効 で ある 。 バ ッ フ ァ ー 層 の 厚 み と し て は 、 で き る だ け 厚 い 方 が 望 ま し く 、 例 え ば 1〜 10μ ｍ で ある。
【００３４】
クラッド層２０は、コア層３０よりも屈折率の低い材料で形成されていればよく、周知のクラッド層用の材料を用いることができる。クラッド層２０は、例えば、スピンコート
法でクラッド層用の薄膜を作製することにより、電極５０ＢのＺ軸正方向側の面に形成される。
【００３５】
コア層３０は、クラッド層２０の内部において、クラッド層２０のＹ軸負方向側の側面から、クラッド層２０のＹ軸正方向側の側面に至るまで形成される。コア層３０の厚さは、 一 例 と し て １ μ ｍ で あ る 。 コ ア 層 の 厚 さ が 1μ ｍ 以 下 に な る と 、 モ ー ド が 1本 の シ ン グ ル
モードになるため、波面の形成が容易化される。
【００３６】
コア層３０は、電気光学ポリマー材料で構成される。電気光学ポリマー材料としては、
例 え ば 、 屈 折 率 n = 1.7、 電 気 光 学 定 数 r = 150 pm/Vの ト リ シ ア ノ フ ラ ン （ TCF） を 用 い る
ことができる。なお、コア層３０の材料は、クラッド層２０よりも屈折率の高いコア材料
であれば、他の材料を用いてもよい。
【００３７】
コア層３０は、クラッド層２０のＹ軸負方向側の側面に表出する端面３０ＡからＹ軸正方向側に向かって分岐し、互いに平行な複数の光導波路３１を有する。各光導波路３１は、クラッド層２０によってＺ軸正方向側、Ｚ軸負方向側、Ｘ軸正方向側、及びＸ軸負方向側の４側面が覆われる。なお、コア層の形成方法については、半導体プロセスと同様、フォトリソグラフィー法（露光とリフトオフ）により形成できる。
【００３８】ま た 、 光 導 波 路 ３ １ に は 、 回 折 格 子 ３ １ Ａ (図 ３ （ Ｂ ） 参 照 )が 形 成 さ れ て い る 。 回 折 格
子３１Ａは、光導波路３１を構築するコア層３０の上面に形成されている凹凸部によって構成される。回折格子３１Ａは、図３（Ｂ）に矢印で示すようにＹ軸正方向に伝搬する光をＺ軸正方向に回折させて、光を光偏向素子１００のＺ軸正方向側に取り出すために設けられている。
【００３９】
偏向制御部４０は、電極４０Ａ、４０Ｂを有する。電極４０Ａは、クラッド層２０のＺ
軸正方向側の表面に形成されており、電極４０Ｂは、クラッド層２０のＺ軸負方向側の表面に（クラッド層２０と基板１０との間に）形成されている。電極４０Ａ、４０Ｂは、ともに平面視で矩形状である。
【００４０】
電極４０Ａと４０Ｂは、平面視で互いに重複する領域に配置されており、電極４０Ａと４０Ｂで光導波路３１を挟むように形成されている。電極４０Ａと４０ＢのＹ軸方向における位置は、光導波路３１における光の伝搬方向（Ｙ軸正方向）において、位相制御部５０の電極５０Ａと５０Ｂよりも下流側（Ｙ軸の正方向側）である。
【００４１】
電 極 ４ ０ Ａ は 、 例 え ば 、 金 (Au)又 は ITO(Indium Tin Oxide)、 ま た IZO(Indium Zinc Oxide)製 の 薄 膜 電 極 で あ る 。 金 （ Au） を は じ め と す る 金 属 薄 膜 や ITOや IZOな ど の 薄 膜 状 の 透
明 電 極 の 膜 厚 を 薄 く す る と 、 比 抵 抗 値 が 大 き く 増 大 す る 。 例 え ば 、 金 (Au)で 形 成 す る 薄 膜
電 極 の 膜 厚 を 薄 く し て い く と 、 膜 厚 15nm以 下 に な る と 比 抵 抗 が 急 激 に 増 大 す る 。 こ の た め、 膜 厚 15nm程 度 以 下 の 金 （ Au） 薄 膜 に 電 圧 を 印 加 す る と 電 位 勾 配 を 形 成 す る こ と が 可 能 になる。
【００４２】
実施の形態１では、このような電位勾配を利用して、回折格子３１ＡによってＺ軸正方

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向側に回折される光の偏向角θを制御するとともに光の波面の形状を制御することができる。なお、回折格子３１ＡによってＺ軸正方向側に回折される光は、電極４０Ａを透過する 。 電 極 ４ ０ Ａ を 金 (Au)で 形 成 す る 場 合 に 、 上 述 の よ う に 電 位 勾 配 が 得 ら れ る 程 度 に 薄 膜化すると、ほぼ透明になり、光を透過させることができる。
【００４３】
なお、ここでは電極４０Ａが電位勾配を形成可能な薄膜によって構成される形態について説明するが、電極４０Ａは電位勾配を形成せずに光を透過する薄膜であってもよい。このような場合は、光の波面の形状の制御はできなくなるが、光の偏向角θの制御は行うことができる。
【００４４】
電 極 ４ ０ Ｂ は 、 例 え ば 、 金 (Au)又 は ITO、 IZOな ど 、 ク ラ ッ ド 層 を 伝 搬 さ せ る 波 の 波 長 領域において光の透過率が高い材料製の薄膜電極が好適である。電極４０Ｂは、電極４０Ａ
ほど薄膜化する必要はないので、クラッド層２０と基板１０との間に配設するのに適し、かつ、電極４０Ａと協働して偏向制御部４０を実現するのに必要な厚さを有するように形成されていればよい。
【００４５】
位相制御部５０は、電極５０Ａと５０Ｂを有する。電極５０Ａは、クラッド層２０のＺ
軸正方向側の表面に形成されており、電極５０Ｂは、クラッド層２０のＺ軸負方向側の表面に（クラッド層２０と基板１０との間に）形成されている。電極５０Ａと５０Ｂは、例
え ば 、 金 (Au)又 は ITO、 IZOな ど 製 の 薄 膜 電 極 で あ る 。
【００４６】
電極５０Ａと５０Ｂは、平面視で互いに重複する領域に配置されており、電極５０Ａと５０Ｂで光導波路３１を挟むように形成されている。電極５０Ａと５０ＢのＹ軸方向における位置は、光導波路３１における光の伝搬方向（Ｙ軸正方向）において、偏向制御部４０の電極４０Ａ、４０Ｂよりも上流側（Ｙ軸の負方向側）である。
【００４７】
電極５０Ａは、平面視で三角形状に形成されている。電極５０Ｂは、平面視で矩形状の薄膜電極である。
【００４８】
位相制御部５０は、電極５０Ａと５０Ｂの間に電圧を印加してコア層３０の屈折率を制御するために用いられる。コア層３０は、電気光学ポリマー材料で構成されるため、電極５０Ａと５０Ｂの間に電圧を印加して、クラッド層２０とコア層３０に電界Ｅを印加すると、コア層３０の屈折率が変化する。
【００４９】
電極５０Ａは、平面視で三角形状に形成されているため、電極５０Ａと５０Ｂの間に電圧を印加すると、Ｘ軸方向に配列される複数の光導波路３１の屈折率は互いに異なる値に設定される。
【００５０】
これにより、複数の光導波路３１の中を伝搬する光の位相は互いに異なるようになり、
Ｙ軸正方向への伝搬速度が変わるため、回折格子３１でＺ軸正方向側に回折されると、回折格子３１によって回折される複数の光を合成した光の偏向角Ψを制御できることになる。
【００５１】
次 に 、 図 ４ を 用 い て 、 電 極 ４ ０ Ａ に 生 じ る 電 位 勾 配 に つ い て 説 明 す る 。 図 ４ は 、 金 (Au)
薄膜の膜厚とシート抵抗との関係を示す特性図である。
【００５２】
一 般 に 、 金 （ Au） を は じ め と す る 金 属 薄 膜 や ITOな ど の 透 明 電 極 薄 膜 を 薄 膜 化 す る と 、
比 抵 抗 値 が 大 き く 増 大 す る 。 例 え ば 、 金 (Au)電 極 を 薄 膜 状 に 形 成 し て 、 金 属 薄 膜 の 膜 厚 を
薄 く し て い く と 、 膜 厚 15nm以 下 に な る と 比 抵 抗 が 急 激 に 増 大 す る 。 こ の た め 、 膜 厚 15nm程
度 以 下 の Au薄 膜 の 端 部 間 に 電 圧 を 印 加 す る と 電 位 勾 配 を 形 成 す る こ と が 可 能 と な る 。

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JP 2016-122062 A 2016.7.7【００５３】
このような薄膜状の電極４０Ａの光学的な透過性は高く、コア層３０の光導波路３１から射出される光線は、金属薄膜製の電極４０Ａを透過して上面から射出される。
【００５４】
一 方 、 こ の よ う な 電 位 勾 配 は 、 金 (Au)な ど の 金 属 薄 膜 ば か り で な く 、 ITOな ど の 透 明 電
極 の 場 合 に つ い て も 成 り 立 つ 。 ITO薄 膜 を 100nm以 下 に 薄 膜 化 し た 場 合 、 Auと 同 様 に 薄 膜 上に電位勾配を形成することが可能となる。
【００５５】
このような金属薄膜製の電極４０Ａを光導波路３１の上に形成し、電極４０Ａに印加する電圧を制御することによって、光導波路３１の光伝搬方向において電位勾配を生じさせることが可能となる。
【００５６】
例 え ば 、 （ 1） 式 で 表 記 さ れ る 特 性 か ら な る ポ リ マ ー 導 波 路 材 料 を 用 い て 、 光 導 波 路 ３１を形成し、その上に薄膜電極製の電極４０Ａを形成し、図３に示すような光導波路３１を 形 成 し た 場 合 、 光 導 波 路 ３ １ 中 の 屈 折 率 ｎ は 、 （ 1） 式 よ り 、 次 式 (６ )で 与 え ら れ る 。
ｎ (E)=ｎ − ｎ 0 ＾ 3・ ｒ ・ E/2＝ ｎ − Δ ｎ（ 6）
回折格子３１Ａを介した伝搬ベクトルβを持つ光が光導波路３１中に入射した場合は、以下の整合条件が成り立つ。
ｎ aｋ 0ｓ ｉ ｎ θ ａ ＝ ｎ cｋ 0ｓ ｉ ｎ θ c＝ ｜ β ｜ − ｍ ｜ K｜（ 7）
こ こ で 、 ｎ aは 空 気 の 屈 折 率 、 ｎ cは ク ラ ッ ド 層 ２ ０ の 屈 折 率 、 ｋ 0は 真 空 中 の 波 数 （ ｋ 0＝ 2π /λ ） 、 ｍ は 次 数 、 β は 導 波 モ ー ド の 伝 搬 ベ ク ト ル β ＝ Ｎ ｅ ｋ 0ｕ Ｙ 、 Ｎ ｅ は 光 導 波
路３１中の導波モードの実効屈折率、ｕＹはＹ方向の単位ベクトル、θａは回折格子３１
Ａ に よ り 光 導 波 路 ３ １ か ら Ｚ 軸 正 方 向 側 に 回 折 す る 光 の 偏 向 角 、 θ cは 回 折 格 子 ３ １ Ａ により光導波路３１からＺ軸負方向側に回折する光の偏向角である。一方、（７）式右辺のKは 回 折 格 子 ３ １ Ａ の ベ ク ト ル K＝ （ 2π /Λ ） ｕ Ｙ で あ り 、 ｍ は m次 の 回 折 光 を 表 わ す 。 回
折格子３１ＡのベクトルＫは、回折格子３１Ａのピッチに対応したスカラー量と、光導波路３１に沿って回折格子３１Ａが配列される方向（Ｙ軸正方向）とを有する。
【００５７】
次に、これらのベクトルによる導波モードと偏向角θの制御について説明する。図５乃
至図９は、光偏向素子１００の導波モードと偏向角θを示す図である。図５乃至図９において、（Ａ）は導波モードを示し、（Ｂ）は回折格子３１Ａで回折される光の伝搬方向を示し、（Ｃ）は（Ｂ）に示す光の波面を示す。
【００５８】
なお、ここでは、電極４０Ａが電位勾配を形成せずに光を透過する薄膜で構成される場
合（図５乃至図７）と、電極４０Ａが電位勾配を形成可能な薄膜によって構成される場合（図８、図９）との両方を説明する。
【００５９】
光 導 波 路 ３ １ 中 の 屈 折 率 が 、 （ 6） 式 を 満 た し て 電 極 ４ ０ Ａ 、 ４ ０ Ｂ に 印 加 さ れ た 電 圧に応じて変わると、光導波路３１中のコア材料の実効屈折率Ｎｅが変化し、導波モードの伝搬ベクトルβの大きさ｜β｜が変わる。その際、光導波路３１の伝搬モードｍが変わらない範囲で制御した場合には、光導波路３１の実効屈折率は、光導波路３１中のコア材料の 屈 折 率 ｎ ｆ と の 大 小 関 係 (式 (8))を 満 た し な が ら 変 わ る 。 こ の 結 果 、 コ ア 材 料 の 屈 折 率
ｎｆ変化量に応じて、回折格子３１Ａによって回折される光の偏向角θが変化することになる。
【００６０】
その際、光伝搬するためには、以下の関係を満たすことになる。
ｎ ｆ ＞ Ｎ ｅ ＞ ｎ c＞ ｎ a（ 8）
このため、電極４０Ａが電位勾配を形成せずに光を透過する薄膜で構成される場合において、電極４０Ａ、４０Ｂに印加する電圧が０Ｖ（電圧を印加しない）の場合に、例えば、図５（Ｂ）に示すように回折格子３１Ａによって光が回折され、図５（Ａ）に示す導波

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モードが得られたとする。光導波路３１中を図５（Ｂ）に示す矢印のように伝搬した光は、光導波路３１の上に形成した回折格子３１Ａによって上方側と下方側に形成された屈折率ｎｃからなるクラッド層２０の上下両方に射出される。その際、上方側に射出された光は、光偏向素子１００の上面（Ｚ軸正方向側の面）から空気中に射出される。
【００６１】
また、この場合には、電極４０Ａが電位勾配を形成せずに光を透過する薄膜で構成されているため、各回折格子３１で回折される光の角度は互いに等しくなる。このため、複数の回折格子３１Ａで回折される光を合成した光の波面は、図５（Ｃ）に示すように平面状になる。
【００６２】
また、電極４０Ａが電位勾配を形成せずに光を透過する薄膜で構成される場合において、電極４０Ａ、４０Ｂに正電圧を印加した（電極４０Ｂに対して電極４０Ａに正電圧を印加した）場合には、図６（Ｂ）に示すように回折格子３１Ａによって光が回折され、図６（Ａ）に示す導波モードが得られる。
【００６３】
電極４０Ｂに対して電極４０Ａに正電圧を印加すると、光導波路３１中の屈折率が、（
6） 式 を 満 た し て 電 極 ４ ０ Ａ 、 ４ ０ Ｂ に 印 加 さ れ た 電 圧 に 応 じ て 変 わ り 、 光 導 波 路 ３ １ 中のコア材料の実効屈折率Ｎｅが変化し、導波モードの伝搬ベクトルβの大きさ｜β｜が変わる。光導波路３１の屈折率が変化し、光導波路３１内を伝搬する光の位相がシフトする。 な お 、 光 導 波 路 ３ １ 中 の 屈 折 率 （ 実 効 屈 折 率 Ｎ e） が 変 化 す る と 、 伝 搬 ベ ク ト ル β の 大
きさが変わる。これは、光導波路３１中のコアを伝搬する光の波長が変化する事（言い換
えると光の伝搬速度が変化する事）を意味する。これが位相シフトである。光の波長が変化すると、回折格子３１Ａのベクトルとの差分が生じ、結果的に、偏向角θが変化する。
このとき、回折格子３１Ａから異なる偏向角θ方向に出された光の波長は、元の波長（光導波路３１に入力光を入力させた際の光の波長）に戻る。光の波長の変化は、コア中を伝搬する光に生じる。
【００６４】
このため、図５（Ａ）に示す伝搬ベクトルβに比べて図６（Ａ）に示す伝搬ベクトルβ'は 短 く な り 、 回 折 格 子 ３ １ Ａ の ベ ク ト ル Kと 伝 搬 ベ ク ト ル β 'と の 差 分 は 図 ５ （ Ａ ） に 示
す 回 折 格 子 ３ １ Ａ の ベ ク ト ル Kと 伝 搬 ベ ク ト ル β と の 差 分 よ り も 大 き く な り 、 図 ６ （ Ａ ）、 （ Ｂ ） に 示 す よ う に 偏 向 角 θ ａ 、 θ cは 大 き く な る 。 ま た 、 こ の 結 果 、 図 ６ （ Ｃ ） に 示
すように、複数の回折格子３１Ａで回折される光は、図５（Ｃ）に示す場合よりも偏向角
θが大きくなり、これに応じて波面の角度も変わる。
【００６５】
一方、電極４０Ｂに対して電極４０Ａに負電圧を印加すると、光導波路３１の屈折率が変化し、光導波路３１内を伝搬する光の伝搬速度が変わる。このため、図５（Ａ）に示す
伝 搬 ベ ク ト ル β に 比 べ て 図 ７ （ Ａ ） に 示 す 伝 搬 ベ ク ト ル β ''は 長 く な り 、 回 折 格 子 ３ １ Ａの ベ ク ト ル Kと 伝 搬 ベ ク ト ル β ''と の 差 分 は 図 ５ （ Ａ ） に 示 す 回 折 格 子 ３ １ Ａ の ベ ク ト ル Kと伝搬ベクトルβとの差分よりも小さくなり、図７（Ａ）、（Ｂ）に示すように偏向角θ
ａ 、 θ cは 小 さ く な る 。 ま た 、 こ の 結 果 、 図 ７ （ Ｃ ） に 示 す よ う に 、 複 数 の 回 折 格 子 ３ １
Ａで回折される光は、図５（Ｃ）に示す場合よりも偏向角θが小さくなり、これに応じて波面の角度も変わる。
【００６６】
また、電極４０Ａが電位勾配を形成可能な薄膜によって構成される場合において、電極
４０Ｂに対して電極４０Ａに正電圧を印加すると、光導波路３１の屈折率が変化し、光導波路３１内を伝搬する光の伝搬速度が電位勾配に応じて変化する。また、図８では、電極４０Ａが電位勾配を形成可能な薄膜によって構成されているので、電位勾配により、回折
格 子 ３ １ Ａ の 位 置 に よ っ て 偏 向 角 が 異 な る 。 図 ８ （ Ｂ ） で は 、 偏 向 角 θ ａ １ 、 θ c１ 、 θａ ２ 、 θ c２ 、 θ ａ ３ 、 θ c３ が 得 ら れ る 。
【００６７】

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こ の た め 、 偏 向 角 θ ａ １ 、 θ c １ と θ ａ ３ 、 θ c ３ と に 対 応 す る 伝 搬 ベ ク ト ル β '１ 、 β '３ は 長 さ が 異 な る 。 な お 、 偏 向 角 θ ａ １ 、 θ c１ と θ ａ ３ 、 θ c３ と に 対 応 す る 回 折 格 子 ３
１ Ａ の ベ ク ト ル K'１ 、 K'３ は 、 基 点 が 異 な る が 、 長 さ は 等 し い 。
【００６８】
この結果、図８（Ｃ）に示すように、複数の回折格子３１Ａで回折される光は、進行方向に対して波面が凹状に収束した形状になる（凹状波面）。
【００６９】
一方、電極４０Ａが電位勾配を形成可能な薄膜によって構成される場合において、電極
４０Ｂに対して電極４０Ａに負電圧を印加すると、光導波路３１の屈折率が変化し、光導波路３１内を伝搬する光の位相が電位勾配に応じて変化する（位相がシフトする）。また、電位勾配が異なれば、伝搬速度も異なる。
【００７０】
また、図９では、電極４０Ａが電位勾配を形成可能な薄膜によって構成されているので、電位勾配により、回折格子３１Ａの位置によって偏向角が異なる。図９（Ｂ）では、偏向 角 θ ａ １ 、 θ c１ 、 θ ａ ２ 、 θ c２ 、 θ ａ ３ 、 θ c３ が 得 ら れ る 。
【００７１】
こ の た め 、 偏 向 角 θ ａ １ 、 θ c １ と θ ａ ３ 、 θ c ３ と に 対 応 す る 伝 搬 ベ ク ト ル β ''１ 、 β''３ は 長 さ が 異 な る 。 な お 、 偏 向 角 θ ａ １ 、 θ c １ と θ ａ ３ 、 θ c ３ と に 対 応 す る 回 折 格 子
３ １ Ａ の ベ ク ト ル K''１ 、 K''３ は 、 基 点 が 異 な る が 、 長 さ は 等 し い 。
【００７２】
この結果、図９（Ｃ）に示すように、複数の回折格子３１Ａで回折される光は、進行方向に対して波面が凸状に収束した形状になる（凸状波面）。
【００７３】
次に、光導波路１００のデバイス構造を実現するための作製手順を実施例として記載する。この形態では、コア層３０の上方と下方の両方にクラッド層２０を設けている。
【００７４】（ １ ） シ リ コ ン 基 板 （ 基 板 １ ０ ） 上 に 、 金 電 極 （ 電 極 ４ ０ Ｂ ） を 厚 さ 400nmで 、 蒸 着 法に て 形 成 す る 。 こ の 電 極 ４ ０ Ｂ は 、 EO素 子 の 下 地 電 極 と し て 機 能 さ せ る 。
【００７５】（ ２ ） 電 極 ４ ０ Ｂ の 上 に 、 エ ポ キ シ 系 か ら な る UV硬 化 樹 脂 を ス ピ ン コ ー ト 法 に よ っ て 塗
布 し 、 さ ら に UV光 を 照 射 す る こ と に よ っ て 下 部 の ク ラ ッ ド 層 を 形 成 す る 。 ス ピ ン コ ー ト 法の 回 転 数 と 回 転 時 間 を 制 御 す る こ と に よ っ て 、 約 2μ ｍ か ら な る 膜 厚 の 下 部 ク ラ ッ ド 層 を形成する。このクラッド層を形成した後、ベーキングにより溶媒除去を行う。
【００７６】（ ３ ） 下 部 ク ラ ッ ド 層 上 に 、 EOポ リ マ ー 材 料 溶 液 を ス ピ ン コ ー ト 法 に よ り 約 1μ mの 膜 厚のコア層３０を形成する。このスピンコートによる形成時には、下部クラッド層は硬化して い る た め 、 溶 解 せ ず に 形 成 で き る 。 こ の た め 塗 布 す る EOポ リ マ ー 溶 液 に よ っ て ダ メ ー ジ
を受けることはない。コア層３０を形成した後にもベーキングによる溶媒除去処理を行う。
【００７７】（ ４ ） コ ア 層 ３ ０ 上 に 約 800nmフ ォ ト レ ジ ス ト を 塗 布 す る 。 さ ら に フ ォ ト リ ソ グ ラ フ ィーにより光導波路３１のパターンを形成する。この際に使用するレジスト材料は、後の工程で使用する酸素を使ったイオンエッチングに対し耐性のあるものを使用する。フォトレ
ジ ス ト パ タ ー ン を マ ス ク に し て 、 酸 素 ガ ス を 流 し た RIE(Reactive Ion Etching)で コ ア リッジを形成し、さらにフォトレジストを除去する。このコア層の上方より、例えば収束性
イ オ ン ビ ー ム FIBな ど を 用 い て 、 周 期 構 造 を 形 成 し 、 回 折 格 子 ３ １ Ａ を 形 成 す る 。
【００７８】（ ５ ） コ ア リ ッ ジ 上 を UV硬 化 樹 脂 で 被 膜 し て 上 部 ク ラ ッ ド 層 を 形 成 す る 。 こ れ に よ り ク
ラッド層２０が完成する。
【００７９】

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JP 2016-122062 A 2016.7.7（ ６ ） コ ア 層 ３ ０ と ク ラ ッ ド 層 ２ ０ の 上 に 金 薄 膜 を 膜 厚 約 5nmで 、 蒸 着 法 に よ り 形 成 する。この蒸着では、マスクを使い、形成領域を限定することにより、電極４０Ａを形成することができる。
【００８０】（７）（１）の工程と（６）の工程で形成した電極４０Ａと４０Ｂの間に交流電圧を印
加 し 、 ポ ー リ ン グ （ ポ リ マ ー 配 向 処 理 ） を 行 う 。 具 体 的 に は 、 EOポ リ マ ー 材 料 の ガ ラ ス 転
移点近傍まで基板を加熱しつつ、金属電極間に電圧を徐々に印加する。
【００８１】
以 上 、 実 施 の 形 態 １ に よ れ ば 、 電 気 光 学 ポ リ マ ー 材 料 （ EOポ リ マ ー 材 料 ） で 構 成 さ れ る
コア層３０で構成される光導波路３１の屈折率を変化させて伝搬される光の位相を変化させるとともに、光導波路３１を伝搬する光を光導波路３１の厚さ方向（Ｚ軸方向）に回折させるので、光の偏向角θを調整することができる。偏向角θは、光導波路３１の伝搬方向から光導波路３１の厚さ方向に回折させた光を伝搬方向に近づけるように偏向する際に必要になる偏向角である。
【００８２】
また、コア層３０で構成される光導波路３１の屈折率を変化させるために用いる電極４０を電位勾配を形成可能な薄膜によって構成することにより、光偏向素子１００から出射される光の波面を光の伝搬方向（Ｙ軸方向）において、凸状、平坦、又は凹状に制御することができる。
【００８３】
このような偏向角θの制御は、従来のように加熱による温度制御、又は、波長制御を行うものとは異なり、光導波路３１に印加する電界を変化させて光導波路３１の屈折率を変化させることによって実現される。
【００８４】
従って、従来のように制御精度の低下、及び、色見の変化を生じさせることなく、光導波路３１の伝搬方向から光導波路３１の厚さ方向に回折させた光を伝搬方向（Ｙ軸方向）に近づけるように偏向角θを即座に制御できる光偏向素子１００を提供することができる。
【００８５】
また、さらに、偏向角θに加えて、位相制御部５０で偏向角Ψを制御すれば、光偏向素子１００の出射面に対する鉛直方向（Ｚ軸方向）に対して２軸方向に光を偏向させることができる。
【００８６】＜実施の形態２＞
図１０は、実施の形態２の光偏向素子２００を示す図である。なお、図１０では、実施の形態１と共通の直交座標系であるＸＹＺ座標系を用いて説明する。
【００８７】
光偏向素子２００は、基板１０、クラッド層２２０、コア層２３０、偏向制御部２４０（電極２４０Ａ、４０Ｂ）を含む。図１０（Ａ）には、図３（Ａ）に対応する断面を示し、図１０（Ｂ）には、図３（Ｂ）に対応する断面を示す。なお、図１０には位相制御部５０（電極５０Ａ、５０Ｂ）を示さないが、光偏向素子２００は、位相制御部５０（電極５０Ａ、５０Ｂ）を含んでいてもよい。
【００８８】
光偏向素子２００は、実施の形態１の光偏向素子１００のクラッド層２０、コア層３０、偏向制御部４０（電極４０Ａ、４０Ｂ）を、それぞれ、クラッド層２２０、コア層２３０、偏向制御部２４０（電極２４０Ａ、４０Ｂ）に変更したものである。その他の構成要
素は実施の形態１の光偏向素子１００と同様であるため、以下では相違点を中心に説明する。
【００８９】
クラッド層２２０はコア層２３０の上面を覆っていない点が実施の形態１のクラッド層

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２０と異なる。
【００９０】
コア層２３０は、光導波路２３１の上面に回折格子が形成されていない点が実施の形態
１のコア層３０と異なる。
【００９１】
偏向制御部２４０は、電極２４０Ａ及び４０Ｂを有する。電極２４０Ａは、回折格子２４１Ａが形成されている点が実施の形態１の電極４０Ａと異なる。
【００９２】
図１１乃至図１５は、光偏向素子２００の導波モードと偏向角θを示す図である。図１
１乃至図１５において、（Ａ）は導波モードを示し、（Ｂ）は回折格子２４１Ａで回折される光の伝搬方向を示し、（Ｃ）は（Ｂ）に示す光の波面を示す。
【００９３】
図１１乃至図１５に示す光偏向素子２００の導波モードと偏向角θは、図５乃至図９に示すものと同様であるため、ここでは簡単に説明する。
【００９４】
電極２４０Ａが電位勾配を形成せずに光を透過する薄膜で構成される場合において、電極２４０Ａ、４０Ｂに印加する電圧が０Ｖ（電圧を印加しない）の場合に、例えば、図１
１（Ｂ）に示すように回折格子２４１Ａによって光が回折され、図１１（Ａ）に示す導波モードが得られたとする。光導波路２３１中を図１１（Ｂ）に示す矢印のように伝搬した
光は、光導波路２３１の上に形成した回折格子２４１Ａによって上方側と下方側に形成された屈折率ｎｃからなるクラッド層２２０の上下両方に射出される。その際、上方側に射出された光は、光偏向素子１００の上面（Ｚ軸正方向側の面）から空気中に射出される。
【００９５】
また、この場合には、電極２４０Ａが電位勾配を形成せずに光を透過する薄膜で構成されているため、各回折格子３１で回折される光の角度は互いに等しくなる。このため、複数の回折格子２４１Ａで回折される光を合成した光の波面は、図１１（Ｃ）に示すように平面状になる。
【００９６】
また、電極２４０Ａが電位勾配を形成せずに光を透過する薄膜で構成される場合において、電極２４０Ａ、４０Ｂに正電圧を印加した（電極４０Ｂに対して電極２４０Ａに正電圧を印加した）場合には、図１２（Ｂ）に示すように回折格子２４１Ａによって光が回折され、図１２（Ａ）に示す導波モードが得られる。
【００９７】
電極４０Ｂに対して電極２４０Ａに正電圧を印加すると、光導波路２３１の屈折率が変化し、光導波路２３１内を伝搬する光の位相がシフトするため、図１１（Ａ）に示す伝搬ベ ク ト ル β に 比 べ て 図 １ ２ （ Ａ ） に 示 す 伝 搬 ベ ク ト ル β 'は 短 く な り 、 回 折 格 子 ２ ４ １ Ａの ベ ク ト ル Kと 伝 搬 ベ ク ト ル β 'と の 差 分 は 図 １ １ （ Ａ ） に 示 す 回 折 格 子 ２ ４ １ Ａ の ベ ク ト
ル Kと 伝 搬 ベ ク ト ル β と の 差 分 よ り も 大 き く な り 、 図 １ ２ （ Ａ ） 、 （ Ｂ ） に 示 す よ う に 偏向 角 θ ａ 、 θ cは 大 き く な る 。 ま た 、 こ の 結 果 、 図 １ ２ （ Ｃ ） に 示 す よ う に 、 複 数 の 回 折
格子２４１Ａで回折される光は、図１１（Ｃ）に示す場合よりも偏向角θが大きくなり、これに応じて波面の角度も変わる。
【００９８】
一方、電極４０Ｂに対して電極２４０Ａに負電圧を印加すると、光導波路２３１の屈折率が変化し、光導波路２３１内を伝搬する光の位相がシフトするため、図１１（Ａ）に示す 伝 搬 ベ ク ト ル β に 比 べ て 図 １ ３ （ Ａ ） に 示 す 伝 搬 ベ ク ト ル β ''は 長 く な り 、 回 折 格 子 ２
４ １ Ａ の ベ ク ト ル Kと 伝 搬 ベ ク ト ル β ''と の 差 分 は 図 １ １ （ Ａ ） に 示 す 回 折 格 子 ２ ４ １ Ａの ベ ク ト ル Kと 伝 搬 ベ ク ト ル β と の 差 分 よ り も 小 さ く な り 、 図 １ ３ （ Ａ ） 、 （ Ｂ ） に 示 す
よ う に 偏 向 角 θ ａ 、 θ cは 小 さ く な る 。 ま た 、 こ の 結 果 、 図 １ ３ （ Ｃ ） に 示 す よ う に 、 複数の回折格子２４１Ａで回折される光は、図１１（Ｃ）に示す場合よりも偏向角θが小さ
くなり、これに応じて波面の角度も変わる。

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JP 2016-122062 A 2016.7.7【００９９】
また、電極２４０Ａが電位勾配を形成可能な薄膜によって構成される場合において、電極４０Ｂに対して電極２４０Ａに正電圧を印加すると、光導波路２３１の屈折率が変化し、光導波路２３１内を伝搬する光の位相がシフトする。
【０１００】
また、電位勾配により、回折格子２４１Ａの位置によって偏向角が異なるので、偏向角
θ ａ １ 、 θ c１ 、 θ ａ ２ 、 θ c２ 、 θ ａ ３ 、 θ c３ が 得 ら れ る 。 偏 向 角 θ ａ １ 、 θ c１ と θ ａ
３ 、 θ c ３ と に 対 応 す る 伝 搬 ベ ク ト ル β '１ 、 β '３ は 長 さ が 異 な る 。
【０１０１】
この結果、図１４（Ｃ）に示すように、複数の回折格子２４１Ａで回折される光は、進行方向に対して波面が凹状に収束した形状になる（凹状波面）。
【０１０２】
一方、電極２４０Ａが電位勾配を形成可能な薄膜によって構成される場合において、電極４０Ｂに対して電極２４０Ａに負電圧を印加すると、光導波路２３１の屈折率が変化し、光導波路２３１内を伝搬する光の位相がシフトする。
【０１０３】
また、電位勾配により、回折格子２４１Ａの位置によって偏向角が異なるので、偏向角
θ ａ １ 、 θ c１ 、 θ ａ ２ 、 θ c２ 、 θ ａ ３ 、 θ c３ が 得 ら れ る 。 偏 向 角 θ ａ １ 、 θ c１ と θ ａ
３ 、 θ c ３ と に 対 応 す る 伝 搬 ベ ク ト ル β ''１ 、 β ''３ は 長 さ が 異 な る 。
【０１０４】
この結果、図１５（Ｃ）に示すように、複数の回折格子２４１Ａで回折される光は、進行方向に対して波面が凸状に収束した形状になる（凸状波面）。
【０１０５】
次に、光導波路２００のデバイス構造を実現するための作製手順を実施例として記載する。この形態では、コア層２３０の下方のみにクラッド層２２０を設けている。
【０１０６】（ １ ） シ リ コ ン 基 板 (基 板 １ ０ )の 上 に 、 金 電 極 (電 極 ４ ０ Ｂ )を 厚 さ 400nmで 、 蒸 着 法 にて 形 成 す る 。 電 極 ４ ０ Ｂ は 、 EO素 子 の 下 地 電 極 と し て 機 能 さ せ る 。
【０１０７】（ ２ ） 電 極 ４ ０ Ｂ の 上 に 、 エ ポ キ シ 系 か ら な る UV硬 化 樹 脂 を ス ピ ン コ ー ト 法 に よ っ て 塗
布 し 、 さ ら に UV光 を 照 射 す る こ と に よ っ て ク ラ ッ ド 層 ２ ２ ０ を 形 成 す る 。 ス ピ ン コ ー ト 法の 回 転 数 と 回 転 時 間 を 制 御 す る こ と に よ っ て 、 約 2μ ｍ か ら な る 膜 厚 の ク ラ ッ ド 層 ２ ２ ０を形成する。クラッド層２２０を形成した後、ベーキングにより溶媒除去を行う。
【０１０８】（ ３ ） ク ラ ッ ド 層 ２ ２ ０ の 上 に 、 EOポ リ マ ー 材 料 溶 液 を ス ピ ン コ ー ト 法 に よ り 約 1μ mの膜厚のコア層２３０を形成する。このスピンコートによる形成時には、クラッド層は硬化し て い る た め 、 溶 解 せ ず に 形 成 で き る 。 こ の た め 塗 布 す る EOポ リ マ ー 溶 液 に よ っ て ダ メ ージを受けることはない。コア層２３０を形成した後にもベーキングによる溶媒除去処理を行う。
【０１０９】（ ４ ） コ ア 層 ２ ３ ０ の 上 に 約 800nmフ ォ ト レ ジ ス ト を 塗 布 す る 。 さ ら に フ ォ ト リ ソ グ ラ
フィーにより導波路パターンを形成する。この際に使用するレジスト材料は、後の工程で使用する酸素を使ったイオンエッチングに対し耐性のあるものを使用する。フォトレジス
ト パ タ ー ン を マ ス ク に し て 、 酸 素 ガ ス を 流 し た RIEで コ ア リ ッ ジ を 形 成 し 、 さ ら に フ ォ ト
レジストを除去して、アレイ状のコア層２３０を完成させる。
【０１１０】（ ５ ） コ ア 層 ２ ３ ０ の 上 に 金 薄 膜 を 膜 厚 約 5nmで 、 蒸 着 法 に よ り 形 成 す る 。 こ の 蒸 着 では、マスクを使い、形成領域を限定した。
【０１１１】（６）（１）の工程と（５）の工程とで形成した電極２４０Ａ、４０Ｂの間に交流電圧

10

20

30

40

50

(15)

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を 印 加 し 、 ポ ー リ ン グ （ ポ リ マ ー 配 向 処 理 ） を 行 う 。 具 体 的 に は 、 EOポ リ マ ー 材 料 の ガ ラ
ス転移点近傍まで基板を加熱しつつ、金属電極間に電圧を徐々に印加する。
【０１１２】（ ７ ） （ ５ ） の 工 程 で 作 製 し た 金 属 膜 の 上 方 よ り 、 例 え ば 収 束 性 イ オ ン ビ ー ム FIBな どを用いて、周期構造を形成し、回折格子２４１Ａを形成する。これにより、電極２４０Ａが完成する。
【０１１３】
以 上 、 実 施 の 形 態 ２ に よ れ ば 、 電 気 光 学 ポ リ マ ー 材 料 （ EOポ リ マ ー 材 料 ） で 構 成 さ れ る
コア層２３０で構成される光導波路２３１の屈折率を変化させて伝搬される光の位相を変化させるとともに、光導波路２３１を伝搬する光を光導波路２３１の厚さ方向（Ｚ軸方向）に回折させるので、光の偏向角θを調整することができる。偏向角θは、光導波路２３１の伝搬方向から光導波路２３１の厚さ方向に回折させた光を伝搬方向に近づけるように偏向する際に必要になる偏向角である。
【０１１４】
また、コア層２３０で構成される光導波路２３１の屈折率を変化させるために用いる電極２４０Ａを電位勾配を形成可能な薄膜によって構成することにより、光偏向素子２００から出射される光の波面を光の伝搬方向（Ｙ軸方向）において、凸状、平坦、又は凹状に制御することができる。
【０１１５】
このような偏向角θの制御は、従来のように加熱による温度制御、又は、波長制御を行うものとは異なり、光導波路２３１に印加する電界を変化させて光導波路２３１の屈折率を即座に変化させることによって実現される。
【０１１６】
従って、従来のように制御精度の低下、及び、色見の変化を生じさせることなく、光導波路２３１の伝搬方向から光導波路２３１の厚さ方向に回折させた光を伝搬方向（Ｙ軸方向）に近づけるように偏向角θを制御できる光偏向素子２００を提供することができる。
【０１１７】
また、さらに、偏向角θに加えて、位相制御部５０で偏向角Ψを制御すれば、光偏向素子２００の出射面に対する鉛直方向（Ｚ軸方向）に対して２軸方向に光を偏向させることができる。
【０１１８】
なお、実施の形態１、２において、回折格子３１Ａ、２４１Ａを形成する箇所は、光導波路３１、２３１よりも上側に設けたが、回折格子を形成する箇所はこれに限定されるものではない。
【０１１９】
光導波路の厚さ方向の中央部分に屈折率の異なる屈折率変調層を設けることによって回折格子を作製してもよく、コア層の厚さ方向における下部側に回折格子を設けてもよい。
【０１２０】
また、実施の形態１、２では、コア層３０、２３０に有機ポリマー材料を用いたが、それに限定されず、無機系誘電体や半導体をはじめ、有機、無機を問わずに適用可能である。 誘 電 体 材 料 と し て は 、 SiO2、 SiON、 や ニ オ ブ 酸 リ チ ウ ム LN、 ま た 半 導 体 材 料 と し て は Ga
As系 、 GaN系 、 InP系 材 料 に つ い て も 適 用 可 能 で あ る 。
【０１２１】
以上、本発明の例示的な実施の形態の光偏向素子について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
【符号の説明】【０１２２】
１００ 光偏向素子
１０ 基板

10

20

30

40

50

(16)

２０ クラッド層
３０ コア層３０Ａ 端面
３１ 光導波路
３１Ａ 回折格子
４０ 偏向制御部
４０Ａ、４０Ｂ 電極
５０ 位相制御部
５０Ａ、５０Ｂ 電極
２００ 光偏向素子
２２０ クラッド層
２３０ コア層
２３１ 光導波路
２４０ 偏向制御部
２４０Ａ、４０Ｂ 電極
２４１Ａ 回折格子【図１】

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10

【図２】

(17)

【図３】

【図５】

【図４】

【図６】

【図７】

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(18)

【図８】

【図９】

【図１０】

【図１１】

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(19)

【図１２】

【図１３】

【図１４】

【図１５】

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(20)

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フロントページの続き(72)発明者 本山靖

東京都世田谷区砧一丁目１０番１１号(72)発明者 菊池宏

東京都世田谷区砧一丁目１０番１１号(72)発明者 清水

日本放送協会放送技術研究所内
日本放送協会放送技術研究所内直樹

東京都世田谷区砧一丁目１０番１１号
Ｆターム(参考) 2K102 AA21

BA07

BB04 BC04

EA14

EA16

EA21

日本放送協会放送技術研究所内

DA04

DA08

DC08

DD01

EA02

EA12