CN108627974A - 光扫描系统 - Google Patents

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CN108627974A
CN108627974A CN201810145639.7A CN201810145639A CN108627974A CN 108627974 A CN108627974 A CN 108627974A CN 201810145639 A CN201810145639 A CN 201810145639A CN 108627974 A CN108627974 A CN 108627974A
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waveguide
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稻田安寿
平泽拓
桥谷享
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Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
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Abstract

提供一种能够进行利用光的扫描和接收光的新的系统。光扫描系统具备光扫描器件和受光器件。光扫描器件具备：第1波导阵列，包括多个第1波导，该第1波导通过传播光来将所述光作为出射光出射；以及第1调整元件，改变来自所述多个第1波导的所述出射光的出射方向。所述受光器件具备：第2波导阵列，包括多个第2波导，该第2波导配置于在来自所述多个第1波导的所述出射光被对象物反射的情况下反射光所入射的位置；第2调整元件，改变所述多个第2波导对所述反射光的受光方向。所述光扫描器件中的所述多个第1波导的排列间隔与所述受光器件中的所述多个第2波导的排列间隔不同。

Description

光扫描系统
技术领域
本公开涉及一种光扫描系统。
背景技术
以往，提出了能够用光对空间进行扫描(scan)的各种器件。
专利文献1公开了使用使反射镜旋转的驱动装置来能够进行利用光的扫描的结构。
专利文献2公开了具有二维地排列的多个纳米光学天线元件的光相控阵。公开了：各个天线元件与可变光延迟线(即，移相器)光学地耦合。在该光相控阵中，相干光束通过波导被引导到各个天线元件，通过移相器而光束的相位移动。由此，能够改变远场辐射图的振幅分布。
专利文献3公开了光偏转元件，该光偏转元件具备：波导，具备光在内部导波的光波导层以及形成在光波导层的上表面和下表面的第1分布布拉格反射镜；光入射口，用于使光入射到波导内；以及光出射口，为了出射从光入射口入射并在波导内导波的光而形成在波导的表面。
专利文献1：国际公开第2013/168266号
专利文献2：日本特表2016-508235号公报
专利文献3：日本特开2013-16591号公报
发明内容
本公开的一方式提供一种具备进行利用光的扫描的光扫描器件和能够以比较简单的结构来接收光的受光器件的光扫描系统。
本公开的一方式所涉及的光扫描系统具备光扫描器件和受光器件。所述光扫描器件具备：第1波导阵列，包括多个第1波导，该第1波导通过传播光，将所述光作为出射光向与传播方向交叉的方向出射；以及第1调整元件，通过对在所述多个第1波导各自中传播的所述光的相位进行调整，来改变来自所述多个第1波导的所述出射光的出射方向。所述受光器件具备：第2波导阵列，包括多个第2波导，该第2波导配置于在来自所述多个第1波导的所述出射光被对象物反射的情况下反射光所入射的位置，接收所述反射光来作为传播光传播；以及第2调整元件，通过对在所述多个第2波导各自中传播的所述传播光的相位进行调整，来改变所述多个第2波导对所述反射光的受光方向。所述光扫描器件中的所述多个第1波导的排列间隔与所述受光器件中的所述多个第2波导的排列间隔不同。
本公开的总括性的或具体的方式也可以由器件、系统、方法或它们的任意的组合来实现。
发明效果
根据本公开的一方式，能够以比较简单的结构来进行利用光的一维扫描或二维扫描并且获取对象区域的信息。
附图说明
图1是示意性地表示本公开的例示性的实施方式中的光扫描器件的结构的立体图。
图2是示意性地表示一个波导元件的截面的构造和传播的光的例的图。
图3是示意性地表示在模拟中使用的计算模型的图。
图4A表示计算出光波导层的一例中的折射率与光的出射角度的关系的结果。
图4B表示计算出光波导层的其它例中的折射率与光的出射角度的关系的结果。
图5是示意性地表示光扫描器件的例的图。
图6A是示意性地表示比较例的结构的截面图。
图6B是示意性地表示其它比较例的结构的截面图。
图7是表示使波导的折射率变化时的耦合效率的变化的图表。
图8是示意性地表示多个第1波导与多个第2波导的连接的图。
图9是示意性地表示在光波导层的两侧配置有隔离物的结构例的、波导元件的截面图。
图10是示意性地表示波导阵列的结构例的、光扫描器件的截面图。
图11是示意性地表示光波导层内的导波光的传播的图。
图12是示意性地表示本公开的例示性的实施方式中的光扫描器件的构造的一部分的截面图。
图13是示意性地表示光扫描器件的构造的其它例的截面图。
图14是示意性地表示光扫描器件的构造的又一其它例的截面图。
图15表示光输入到被两个多层反射膜夹着的光波导层2的一例。
图16A表示光经由光栅导入到第1波导的例。
图16B表示从第1波导的端面输入光的例。
图16C表示从激光光源向第1波导输入光的例。
图17表示从第1波导向第2波导的导波光的耦合效率的d2依赖性。
图18表示其它例中的耦合效率的d2依赖性。
图19是对耦合效率为0.5以上的情况和耦合效率小于0.5的情况进行了分类的图。
图20是表示第1波导中的光波导层的厚度方向的中心与第2波导中的光波导层的厚度方向的中心发生偏移的结构的图。
图21是表示从第1波导向第2波导的光的耦合效率的Δz依赖性的图。
图22A表示又一其它例中的耦合效率的d2依赖性。
图22B表示又一其它例中的耦合效率的d2依赖性。
图23A是表示计算模型的图。
图23B是示出表示光的传播的计算结果的图。
图24A是表示其它实施方式中的光扫描器件的截面图。
图24B是表示耦合效率的间隙宽度依赖性的计算结果的图。
图25A是表示向与波导阵列的出射面垂直的方向出射光的波导阵列的截面的图。
图25B是表示向与垂直于波导阵列的出射面的方向不同的方向出射光的波导阵列的截面的图。
图26是示意性地表示三维空间中的波导阵列的立体图。
图27A是表示在p大于λ的情况下从波导阵列出射衍射光的情形的示意图。
图27B是表示在p小于λ的情况下从波导阵列出射衍射光的情形的示意图。
图27C是表示在p与λ/2实质上相等的情况下从波导阵列出射衍射光的情形的示意图。
图28是表示移相器与波导元件直接连接的结构的例的示意图。
图29是从光出射面的法线方向观察波导阵列和移相器阵列的示意图。
图30是示意性地表示移相器中的波导经由其它波导与波导元件中的光波导层连接的结构的例的图。
图31是表示在光分支器中插入了排列成级联状的多个移相器的结构例的图。
图32A是示意性地表示第1调整元件的结构的一例的立体图。
图32B是示意性地表示第1调整元件的其它结构例的立体图。
图32C是示意性地表示第1调整元件的又一其它结构例的立体图。
图33是表示将包括加热器的调整元件与波导元件相组合的结构的例的图。
图34是表示用支承构件保持了反射镜的结构例的图。
图35是表示使反射镜移动的结构的一例的图。
图36是表示在不妨碍光的传播的位置配置有电极的结构例的图。
图37是表示压电元件的例的图。
图38A是表示具有单压电片的构造的支承构件的结构例的图。
图38B是表示支承构件发生变形的状态的例的图。
图39A是表示具有双压电片的构造的支承构件的结构例的图。
图39B是表示支承构件发生变形的状态的例的图。
图40是表示致动器的例的图。
图41A是用于说明支承构件的顶端的倾斜的图。
图41B是表示将伸缩的方向不同的两个单压电片型的支承构件串列地接在一起的例的图。
图42是表示用致动器对保持多个第1反射镜的支承构件一并进行驱动的结构的例的图。
图43是表示多个波导元件中的第1反射镜是一个板状的反射镜的结构例的图。
图44是表示从各个波导元件的电极共同地取出布线的结构的例的图。
图45是表示使一部分电极和布线共同化的结构的例的图。
图46是表示对多个波导元件配置了共同的电极的结构的例的图。
图47是示意性地表示将配置移相器阵列的区域较大地确保且将波导阵列较小地集成的结构的例的图。
图48是表示两个移相器阵列分别配置于波导阵列的两侧的结构例的图。
图49A表示波导元件的排列方向与波导元件延伸的方向不正交的波导阵列的结构例。
图49B表示波导元件的排列间隔不固定的波导阵列的结构例。
图50A是示意性地表示本实施方式中的光扫描器件的图。
图50B是图50A所示的光扫描器件的截面图。
图50C是图50A所示的光扫描器件的其它截面图。
图51A是表示在第2反射镜与波导之间配置有电介质层的结构例的图。
图51B是表示在第1波导上还配置有第2电介质层的结构例的图。
图52是表示第2反射镜未配置于第1波导与基板之间的区域的结构例的图。
图53是表示第2反射镜在第1波导1与基板50之间变薄的结构例的图。
图54A是表示第2反射镜的厚度阶梯式地变化的结构例的图。
图54B是表示上部电极、第1反射镜以及第2基板跨遍及第1波导的保护层61和第2波导10的光波导层20上地配置的结构例的图。
图54C是表示图54B的结构例的制造过程的一部分的图。
图55是表示多个第2波导的截面的图。
图56是表示第1波导和第2波导是反射型波导的结构例的图。
图57是表示上部电极配置于第1反射镜上、且下部电极配置于第2反射镜下的结构例的图。
图58是表示第1波导被分离为两个部分的例的图。
图59是表示电极配置于各光波导层与同各光波导层相邻的光波导层20之间的结构例的图。
图60是表示第1反射镜厚、且第2反射镜薄的结构例的图。
图61是本实施方式中的光扫描器件的截面图。
图62是表示光损耗的比例与y1的关系的图。
图63是示意性地表示本实施方式中的波导阵列的其它结构例的、光扫描器件的截面图。
图64A是表示图10的结构例中的、电场强度分布的计算结果的图。
图64B是表示图63的结构例中的、电场强度分布的计算结果的图。
图65是示意性地表示在本实施方式中存在具有不同的折射率的隔离物的结构例的、光扫描器件的截面图。
图66是示意性地表示本实施方式的变形例中的波导元件的结构例的、光扫描器件的截面图。
图67是表示在电路基板上集成了光分支器、波导阵列、移相器阵列以及光源等元件的光扫描器件的结构例的图。
图68是表示从光扫描器件向远方照射激光等光束来执行二维扫描的情形的示意图。
图69是表示能够生成测距图像的LiDAR系统的结构例的框图。
图70是表示全反射波导的概略结构的图。
图71是表示全反射波导的电场强度分布的图。
图72是表示慢光波导的概略结构的图。
图73是表示慢光波导的电场强度分布的图。
图74是示意性地表示光扫描系统的结构例的图。
图75是表示光扫描器件中的波导阵列和受光器件中的波导阵列的配置例的图。
图76是表示从光扫描器件中的波导阵列和受光器件中的波导阵列出射的衍射光的例的图。
图77是用于说明光扫描器件中的波导阵列的发光面和受光器件中的波导阵列的受光面的大小的例的图。
图78是表示一维相控阵的结构例的图。
图79是表示二维相控阵的结构例的图。
图80是表示在电路基板上集成了合波器、波导阵列、移相器阵列以及光检测器等元件的受光器件的结构例的图。
图81是示意性地表示不包括波导阵列的光扫描器件的结构例的图。
附图标记说明
1：第1波导
2：光波导层、波导
3：多层反射膜
4：多层反射膜
5：光栅
6：激光光源
7：光纤
10：波导元件(第2波导)
20：光波导层
30：第1反射镜
40：第2反射镜
42：低折射率层
44：高折射率层
50、50A、50B、50C：基板
51：第1电介质层(调整层)
52：支承构件(辅助基板)
60：调整元件
61：第2电介质层(保护层)
62：电极
64：布线
66：电源
68：加热器
70：支承构件
71：非压电元件
72：压电元件
73、73a、73b：隔离物
74a、74b：支承构件
80、80a、80b：移相器
90、90a、90b：光分支器
92：光开关
100：光扫描器件
110：波导阵列的驱动电路
130：光源
150：对象物
190：合波器
200：受光器件
210：移相器阵列的驱动电路
250：滤波器
310：光束点
400、230：光检测器
500：控制电路
600：信号处理电路
具体实施方式
在本公开中，“光”是指，不仅包括可见光(波长为约400nm～约700nm)，还包括紫外线(波长为约10nm～约400nm)和红外线(波长为约700nm～约1mm)的电磁波。在本说明书中，有时将紫外线称为“紫外光”，将红外线称为“红外光”。
在本公开中，利用光的“扫描”是指改变光的方向。“一维扫描”是指，使光的方向沿着与该方向交叉的方向直线性地变化。“二维扫描”是指，使光的方向沿着与该方向交叉的平面二维地变化。“光扫描器件”是指，能够进行利用光的扫描的发光器件。“光扫描系统”是指，具备光扫描器件和受光器件的系统。
在本公开中，电路、单元、装置、构件或部的全部或一部分、或者框图的功能模块的全部或一部分也可以由半导体装置、半导体集成电路(IC)、或包括LSI(large scaleintegration：大规模集成电路)的一个或多个电子电路执行。LSI或IC既可以集成在一个芯片，也可以将多个芯片进行组合来构成。例如，存储元件以外的功能模块也可以集成在一个芯片。在此，称为LSI或IC，但是叫法根据集成的程度而变化，也可以称为系统LSI、VLSI(very large scale integration：超大规模集成电路)、或ULSI(ultra large scaleintegration：甚大规模集成电路)。在LSI的制造后编程的Field Programmable GateArray(FPGA)、或能够进行LSI内部的接合关系的重构或LSI内部的电路划分的设置的reconfigurable logic device也能够以相同的目的来使用。
并且，电路、单元、装置、构件或部的全部或一部分功能或操作能够通过软件处理来执行。在该情况下，软件记录在一个或多个ROM、光盘、硬盘驱动器等非临时性记录介质中，在由处理装置(processor)执行了软件时，通过处理装置和周边装置来执行由该软件确定的功能。系统或装置也可以具备记录有软件的一个或多个非临时性记录介质、处理装置以及所需的硬件器件、例如接口。
在以下的说明中，有时省略超过所需限度的详细的说明。例如，有时省略已经公知的事项的详细说明和对实质上相同的结构的重复的说明。这是为了避免以下的说明不必要地变得冗长以便于本领域技术人员理解。此外，发明人们是为了使本领域技术人员充分理解本公开而提供附图和以下的说明，因此并不意图通过这些来限定权利要求书所记载的主题。在以下的说明中，对相同或类似的结构要素附加相同的参照符号。
在说明本公开的实施方式之前，说明作为本公开的基础的见解。
本发明人们对能够以比以往简单的结构来进行光的扫描或接收光的光扫描系统的开发进行了研究。本发明人们发现，通过使用例如具有对置的一对反射镜以及被这些反射镜夹着的光波导层的波导元件，或者使用在表面具有光栅的电介质波导，无需使用复杂的机构就能够进行光的扫描或受光。通过改变这些波导元件或电介质波导(以下有时汇总来仅称为“波导”)中的折射率等光学特性，能够改变光的出射方向或能够接收的入射光的方向。
如上所述的波导构造既可以使用光扫描器件和受光器件这两方，也可以仅使用其中一方。例如，也可以针对受光器件采用如上所述的波导构造，针对光扫描器件采用例如专利文献1至3中公开的那样的以往的构造。光扫描器件除了以下详细说明的构造以外，例如还能够通过具备激光器等光源和MEMS反射镜等可动式反射镜的构造来实现。
作为可以使用于本公开中的光扫描器件或受光器件的波导构造的一例，说明具有一对反射镜和光波导层的波导元件的结构。在此，说明该波导构造应用于光扫描器件的情况的例。波导元件中的一对反射镜中的一个反射镜具有比另一个反射镜高的光透过率，使在光波导层中传播的光的一部分出射到外部。对于出射的光的方向(或出射角度)，如后所述那样能够通过对光波导层的折射率和/或厚度进行调整来改变。更具体地说，通过改变折射率和/或厚度，能够改变出射光的波矢量(wave vector)的、沿着光波导层的长度方向的方向的分量。由此，实现一维的扫描。
并且，在使用多个波导元件的阵列的情况下，还能够实现二维的扫描。更具体地说，通过对向多个波导元件供给的光赋予适当的相位差并调整该相位差，能够改变从多个波导元件出射的光增强的方向。由于相位差的变化，出射光的波矢量的、与沿着光波导层的长度方向的方向交叉的方向的分量发生变化。由此，能够实现二维的扫描。此外，在进行二维的扫描的情况下，也不需要使多个光波导层的折射率和厚度的至少一方变化不同的量。即，通过对向多个光波导层供给的光赋予适当的相位差、且使多个光波导层的折射率和厚度的至少一方同步地变化同量，能够进行二维的扫描。这样，根据本公开的实施方式，能够以比较简单的结构来实现利用光的二维扫描。
以上的基本原理不仅能够应用于出射光的用途，还能够同样地应用于接收光信号的用途。通过改变光波导层的折射率和厚度的至少一方，能够使能够接收的光的方向一维地变化。并且，如果利用与在一个方向上排列的多个波导元件分别连接的多个移相器来改变光的相位差，则能够使能够接收的光的方向二维地变化。
基于本公开的实施方式的光扫描器件和受光器件可以用作例如LiDAR(LightDetection and Ranging：激光雷达)系统那样的光扫描系统中的天线。LiDAR系统由于使用与使用毫米波等电波的雷达系统相比短的波长的电磁波(可见光、红外线或紫外线)，因此能够以高的分辨率来检测物体的距离分布。这种LiDAR系统搭载于例如汽车、UAV(UnmannedAerial Vehicle(无人驾驶飞行器)、所谓的无人机)、AGV(Automated Guided Vehicle:自动导向车)等移动体，可以用作防撞技术的一种。
本公开涉及具备如上所述的光扫描器件和受光器件的光扫描系统。
本公开包括以下项目中记载的光扫描系统。
本公开的第1项目所涉及的光扫描系统具备光扫描器件和受光器件。所述光扫描器件具备：第1波导阵列，包括多个第1波导，该第1波导通过传播光，将所述光作为出射光向与传播方向交叉的方向出射；以及第1调整元件，通过对在所述多个第1波导各自中传播的所述光的相位进行调整，来改变来自所述多个第1波导的所述出射光的出射方向。所述受光器件具备：第2波导阵列，包括多个第2波导，该第2波导配置于在来自所述多个第1波导的所述出射光被对象物反射的情况下反射光所入射的位置，接收所述反射光来作为传播光传播；以及第2调整元件，通过对在所述多个第2波导各自中传播的所述传播光的相位进行调整，来改变所述多个第2波导对所述反射光的受光方向。所述光扫描器件中的所述多个第1波导的排列间隔与所述受光器件中的所述多个第2波导的排列间隔不同。
在该光扫描系统中，通过由多个第1波导传播光来将光作为出射光出射，通过由第1调整元件对所传播的光的相位进行调整来改变出射光的出射方向。在出射光被对象物反射的情况下，多个第1波导接收反射光来作为传播光传播，通过由第2调整元件对传播光的相位进行调整来改变反射光的受光方向。
在此，多个第1波导的排列间隔与多个第2波导的排列间隔不同。因此，能够降低反射光中包含的高阶衍射光的受光，能够抑制干扰。
本公开的第2项目所涉及的光扫描系统在第1项目所涉及的光扫描系统中，还具备控制电路，该控制电路对所述光扫描器件和所述受光器件同步地进行控制。所述控制电路控制所述第1调整元件来改变所述出射方向，控制所述第2调整元件来改变所述受光方向。
在该光扫描系统中，通过使从光扫描器件进行的光的出射与受光器件中的对来自对象物的反射光的受光同步，能够掌握向哪个方向出射的光作为反射光返回来。另外，能够随着出射方向的变化而改变受光方向使得受光灵敏度最大。
本公开的第3项目所涉及的光扫描系统在第2项目所涉及的光扫描系统中，所述控制电路使从所述多个第1波导出射的所述出射光的出射角度与由所述多个第2波导接收的所述反射光的入射角度实质上一致。
在该光扫描系统中，可以根据从光扫描器件将光出射之后到受光器件接收反射光为止的时间计算光扫描系统与对象物之间的距离。如果来自光扫描器件的出射光的出射角度与受光器件中的反射光的入射角度实质上一致，则能够容易获知从光扫描系统到对象物的方向。
本公开的第4项目所涉及的光扫描系统在第1至第3项目中的任一个所涉及的光扫描系统中，还具备光检测器，该光检测器连接于所述多个第2波导，检测来自所述多个第2波导的所述传播光的合成光。
在该光扫描系统中，能够检测来自多个第2波导的传播光的合成光。
本公开的第5项目所涉及的光扫描系统在第1至第4项目中的任一个所涉及的光扫描系统中，所述受光器件中的所述多个第2波导的所述排列间隔大于所述光扫描器件中的所述多个第1波导的所述排列间隔。
在该光扫描系统中，微细加工的条件得以缓和，受光器件中的第2波导阵列的制作比较容易。
本公开的第6项目所涉及的光扫描系统在第1至第5项目中的任一个所涉及的光扫描系统中，所述受光器件中的所述多个第2波导各自的排列方向上的宽度大于所述光扫描器件中的所述多个第1波导各自的排列方向上的宽度。
在该光扫描系统中，微细加工的条件得以缓和，第2波导阵列中的各第2波导的制作比较容易。
本公开的第7项目所涉及的光扫描系统在第1至第6项目中的任一个所涉及的光扫描系统中，在所述光扫描器件中，所述多个第1波导各自具有位于所述出射光所出射的一侧的光出射面，所述多个第1波导各自的所述光出射面实质上位于同一个虚拟的第1平面内，在所述受光器件中，所述多个第2波导各自具有位于所述反射光所入射的一侧的光入射面，所述多个第2波导各自的所述光入射面实质上位于同一个虚拟的第2平面内。在所述第1平面内包围所述多个第1波导的最小的虚拟的四边形的中心与在所述第2平面内包围所述多个第2波导的最小的虚拟的四边形的中心之间的距离为20mm以下。
在该光扫描系统中，受光器件中的第2波导阵列能够将来自从光扫描器件中的第1波导阵列远离1m以上的对象物的反射光作为从与出射光反平行的方向返回来的光来进行接收。由此，无需校正出射角度与受光角度之差而能够获知从光扫描系统到对象物的方向。
本公开的第8项目所涉及的光扫描系统在第1至第6项目中的任一个所涉及的光扫描系统中，在所述光扫描器件中，所述多个第1波导各自具有位于所述出射光所出射的一侧的光出射面，所述多个第1波导各自的所述光出射面实质上位于同一个虚拟的第1平面内，所述受光器件中，所述多个第2波导各自具有位于所述反射光所入射的一侧的光入射面，所述多个第2波导各自的所述光入射面实质上位于同一个虚拟的第2平面内。在所述第2平面内包围所述多个第2波导的最小的虚拟的四边形的面积大于在所述第1平面内包围所述多个第1波导的最小的虚拟的四边形的面积。
在该光扫描系统中，受光器件中的光入射面大于光扫描器件中的光出射面。因而，受光器件能够接收更多的反射光，因此受光器件的受光灵敏度变高。
本公开的第9项目所涉及的光扫描系统在第1至第8项目中的任一个所涉及的光扫描系统中，还具备滤波器，该滤波器配置于从所述光扫描器件的所述多个第1波导出射的所述出射光作为所述反射光由所述受光器件的所述多个第2波导接收的光路径上，选择性地透过包含在所述出射光的波长范围中的特定的波长范围的光。
在该光扫描系统中，利用滤波器来去除特定的波长范围以外的光。由此，在受光器件接收反射光时，能够降低干扰光的影响。
本公开的第10项目所涉及的光扫描系统在第9项目所涉及的光扫描系统中，所述滤波器覆盖所述第1波导阵列和所述第2波导阵列这两方。
在该光扫描系统中，即使滤波器覆盖第1波导阵列和第2波导阵列这两方，也能够获得与第9项目所涉及的光扫描系统相同的作用效果。
在本公开的第11项目所涉及的光扫描系统在第1至第10项目中的任一个所涉及的光扫描系统中，所述多个第1波导在第1方向上排列。所述多个第1波导各自中的所述光的所述传播方向是与所述第1方向交叉的第2方向。所述出射光的所述出射方向是与平行于所述第1方向及所述第2方向的虚拟平面交叉的第3方向。所述多个第1波导各自是具有光栅的电介质波导。
在该光扫描系统中，从光扫描器件中的在第1方向上排列的多个第1波导由于起因于光栅的衍射，在电介质波导内传播的光的至少一部分被出射到外部。通过对在各第1波导中传播的光的相位进行调整，能够改变作为光的出射方向的第3方向的、第1方向的分量。通过对各第1波导中的折射率进行调制，能够改变作为光的出射方向的第3方向的、第2方向的分量。由此，能够实现二维扫描。
本公开的第12项目所涉及的光扫描系统在第1至第10项目中的任一个所涉及的光扫描系统中，所述多个第1波导在第1方向和第2方向上二维地排列。所述多个第1波导各自中的所述光的所述传播方向是所述第2方向。所述出射光的所述出射方向是与平行于所述第1方向及所述第2方向的虚拟平面交叉的第3方向。所述多个第1波导各自是具有光栅的电介质波导。
在该光扫描系统中，从光扫描器件中的在第1方向和第2方向上排列的多个第1波导由于起因于光栅的衍射，在电介质波导内传播的光的至少一部分被出射到外部。通过对在各第1波导中传播的光的相位进行调整，能够改变作为光的出射方向的第3方向的、第1方向和第2方向的分量。由此，能够实现二维扫描。
本公开的第13项目所涉及的光扫描系统在第1至第10项目中的任一个所涉及的光扫描系统中，所述多个第1波导在第1方向上排列，所述多个第1波导各自中的所述光的所述传播方向是与所述第1方向交叉的第2方向，所述出射光的所述出射方向是与平行于所述第1方向及所述第2方向的虚拟平面交叉的第3方向，所述多个第1波导各自具备：第1反射镜，具有与所述第3方向交叉的反射面，沿所述第2方向延伸；第2反射镜，具有与所述第1反射镜的所述反射面对置的反射面，沿所述第2方向延伸；以及光波导层，位于所述第1反射镜与所述第2反射镜之间，传播所述光。所述第1反射镜具有比所述第2反射镜高的光透过率，所述光透过该第1反射镜来作为所述出射光出射。所述第1调整元件通过改变所述多个第1波导各自中的所述光波导层的折射率和厚度中的至少一方，来进行所述光的所述相位调整。
在该光扫描系统中，通过改变光扫描器件中的各第1波导的光波导层的折射率和厚度的至少一方，来能够改变作为来自光扫描器件的出射光的出射方向的第3方向的第2方向的分量。
本公开的第14项目所涉及的光扫描系统在第13项目所涉及的光扫描系统中，所述第1调整元件还通过对在所述多个第1波导各自中传播的所述光赋予相移，来改变从所述多个第1波导出射的光的方向。
在该光扫描系统中，通过对在光扫描器件中的各第1波导中传播的光赋予相移，来改变作为来自光扫描器件的出射光的出射方向的第3方向的第1方向的分量。
本公开的第15项目所涉及的光扫描系统在第1至第14项目中的任一个所涉及的光扫描系统中，所述多个第2波导在第1方向上排列，所述多个第2波导各自中的所述传播光的传播方向是与所述第1方向交叉的第2方向，所述多个第2波导各自是具有光栅的电介质波导。
在该光扫描系统中，通过与第11项目所涉及的光扫描系统相同的作用效果，能够实现二维方向上的受光。
本公开的第16项目所涉及的光扫描系统在第1至第14项目中的任一个所涉及的光扫描系统中，所述多个第2波导在第1方向和第2方向上二维地排列，所述多个第2波导各自中的所述传播光的传播方向是所述第2方向，所述多个第2波导各自是具有光栅的电介质波导。
在该光扫描系统中，通过与第12项目所涉及的光扫描系统相同的作用效果，能够实现二维方向上的受光。
本公开的第17项目所涉及的光扫描系统在第1至第14项目中的任一个所涉及的光扫描系统中，所述多个第2波导在第1方向上排列，所述多个第2波导各自中的所述传播光的传播方向是与所述第1方向交叉的第2方向，所述反射光的所述受光方向是与平行于所述第1方向及所述第2方向的虚拟平面交叉的第3方向，所述多个第2波导各自具备：第1反射镜，具有与所述第3方向交叉的反射面，沿所述第2方向延伸；第2反射镜，具有与所述第1反射镜的所述反射面对置的反射面，沿所述第2方向延伸；以及光波导层，位于所述第1反射镜与所述第2反射镜之间，传播所述传播光。所述第2调整元件通过改变所述多个第2波导各自中的所述光波导层的折射率和厚度中的至少一方，来进行所述传播光的所述相位调整。
在该光扫描系统中，通过改变受光器件中的各第2波导的光波导层的折射率和厚度的至少一方，能够改变作为受光器件中的反射光的受光方向的第3方向的第2方向的分量。
本公开的第18项目所涉及的光扫描系统在第13或第14项目所涉及的光扫描系统中，在所述多个第1波导各自中，所述第1反射镜的所述第1方向的宽度和/或所述第2反射镜的所述第1方向的宽度比所述光波导层的所述第1方向的宽度长。
在该光扫描系统中，能够抑制在光扫描器件中从各第1波导中的光波导层发生的导波光的泄漏。其结果，使用于光扫描的光量的降低得以抑制。
本公开的第19项目所涉及的光扫描系统在第18项目所涉及的光扫描系统中，所述光扫描器件还具备一体地构成的第3反射镜。所述多个第1波导各自的所述第1反射镜是所述第3反射镜的一部分。
在该光扫描系统中，在光扫描器件中，在原理上能够使从第1反射镜产生的光损耗最小化。
本公开的第20项目所涉及的光扫描系统在第18或第19项目所涉及的光扫描系统中，所述光扫描器件还具备一体地构成的第4反射镜。所述多个第1波导各自的所述第2反射镜是所述第4反射镜的一部分。
在该光扫描系统中，在光扫描器件中，在原理上能够使从第2反射镜产生的光损耗最小化。
本公开的第21项目所涉及的光扫描系统在第18至第20项目中的任一个所涉及的光扫描系统中，所述光扫描器件还具备折射率比所述光波导层低的材料，该材料配置于所述多个第1波导中的相邻的两个第1波导的所述光波导层之间。
在该光扫描系统中，在光扫描器件中的各第1波导中，导波光在光波导层内一边通过全反射在第1方向及与第1方向相反的方向上被封入，一边沿第2方向传播。
本公开的第22项目所涉及的光扫描系统在第21项目所涉及的光扫描系统中，所述材料与所述相邻的两个第1波导的所述光波导层直接接触。
在该光扫描系统中，即使上述的材料与相邻的两个第1波导的光波导层直接接触，也能够获得与第21项目所涉及的光扫描系统相同的作用效果。
本公开的第23项目所涉及的光扫描系统在第17项目所涉及的光扫描系统中，在所述多个第2波导各自中，所述第1反射镜的所述第1方向的宽度和/或所述第2反射镜的所述第1方向的宽度比所述光波导层的所述第1方向的宽度长。
在该光扫描系统中，能够抑制在受光器件中从各第2波导中的光波导层发生的导波光的泄漏。
本公开的第24项目所涉及的光扫描系统在第23项目所涉及的光扫描系统中，所述受光器件还具备一体地构成的第3反射镜。所述多个第2波导各自的所述第1反射镜是所述第3反射镜的一部分。
在该光扫描系统中，在受光器件中，在原理上能够使从第1反射镜产生的光损耗最小化。
本公开的第25项目所涉及的光扫描系统在第23和第24项目中的任一个所涉及的光扫描系统中，所述受光器件还具备一体地构成的第4反射镜。所述多个第2波导各自的所述第2反射镜是所述第4反射镜的一部分。
在该光扫描系统中，在受光器件中，在原理上能够使从第2反射镜产生的光损耗最小化。
本公开的第26项目所涉及的光扫描系统在第23至第25项目中的任一个所涉及的光扫描系统中，所述受光器件还具备折射率比所述光波导层低的材料，该材料配置于所述多个第2波导中的相邻的两个第2波导的所述光波导层之间。
在该光扫描系统中，在受光器件中的各第2波导中，导波光在光波导层内一边通过全反射在第1方向及与第1方向相反的方向上被封入，一边沿第2方向传播。
本公开的第27项目所涉及的光扫描系统在第26项目所涉及的光扫描系统中，所述材料与所述相邻的两个第2波导的所述光波导层直接接触。在该光扫描系统中，即使上述的材料与相邻的两个第1波导的光波导层直接接触，也能够获得与第26项目所涉及的光扫描系统相同的作用效果。
<光扫描器件的结构例>
下面，作为一例，说明进行二维扫描的光扫描器件的结构。
图1是示意性地表示本公开的例示性的实施方式中的光扫描器件100的结构的立体图。光扫描器件100具备波导阵列，该波导阵列包括在第1方向(图1中的Y方向)上有规则地排列的多个波导元件10。多个波导元件10分别具有沿与第1方向交叉的第2方向(图1中的X方向)延伸的形状。多个波导元件10一边向第2方向传播光，一边向与平行于第1方向及第2方向的虚拟平面交叉的第3方向D3出射光。在本实施方式中，第1方向(Y方向)与第2方向(X方向)正交，但是两者也可以不正交。在本实施方式中，多个波导元件10在Y方向上等间隔地排列，但是未必需要等间隔地排列。
此外，本申请的图中所示的构造物的朝向是考虑到说明的易理解性而设定的，对于实际实施本公开的实施方式时的朝向不进行任何限制。另外，图中所示的构造物的整体或一部分的形状和大小也不对实际的形状和大小进行限制。
多个波导元件10分别具有相互对置的第1反射镜30和第2反射镜40(以下有时仅称为反射镜)以及位于反射镜30与反射镜40之间的光波导层20。反射镜30和40各自在与光波导层20的界面具有与第3方向D3交叉的反射面。反射镜30和40以及光波导层20具有沿第2方向(X方向)延伸的形状。
此外，如后所述，多个波导元件10的多个第1反射镜30也可以是成一体地构成的第3反射镜的多个部分。另外，多个波导元件10的多个第2反射镜40也可以是成一体地构成的第4反射镜的多个部分。并且，多个波导元件10的多个光波导层20也可以是成一体地构成的光波导层的多个部分。至少能够通过如下方式来形成多个波导：(1)各第1反射镜30与其它第1反射镜30相独立地构成；(2)各第2反射镜40与其它第2反射镜40相独立地构成；或者(3)各光波导层20与其它光波导层20相独立地构成。“相独立地构成”不仅包括在物理上设置空间，还包括其间隔着折射率不同的材料来分离。
第1反射镜30的反射面与第2反射镜40的反射面大致平行地对置。在两个反射镜30和40中，至少第1反射镜30具有使在光波导层20中传播的光的一部分透过的特性。换言之，第1反射镜30对于该光具有比第2反射镜40高的光透过率。因此，在光波导层20中传播的光的一部分从第1反射镜30被出射到外部。这种反射镜30和40可以是例如由电介质的多层膜(还有时称为“多层反射膜”)形成的多层膜反射镜。
通过对输入到各个波导元件10的光的相位进行控制，并且使这些波导元件10中的光波导层20的折射率和厚度的至少一方同步地同时变化，能够实现利用光的二维扫描。
本发明人们为了实现这种二维扫描，对波导元件10的动作原理详细地进行了分析。基于该结果，通过对多个波导元件10同步地进行驱动，成功实现了利用光的二维扫描。
如图1所示，当将光输入到各波导元件10时，从各波导元件10的出射面出射光。出射面位于第1反射镜30的反射面的相反侧。该出射光的方向D3依赖于光波导层的折射率、厚度以及光的波长。在本实施方式中，对各光波导层的折射率和厚度的至少一方同步地进行控制，使得从各波导元件10出射的光成为大概相同的方向。由此，能够改变从多个波导元件10出射的光的波矢量的X方向的分量。换言之，能够使出射光的方向D3沿着图1所示的方向101发生变化。
并且，由于从多个波导元件10出射的光朝向相同的方向，因此出射光相互干涉。通过对从各个波导元件10出射的光的相位进行控制，能够改变由于干涉而光增强的方向。例如，在相同尺寸的多个波导元件10在Y方向上等间隔地排列的情况下，多个波导元件10被输入相位各相差固定量的光。通过改变该相位差，能够改变出射光的波矢量的、Y方向的分量。换言之，通过分别改变被导入到多个波导元件10的光的相位差，能够使由于干涉而出射光增强的方向D3沿着图1所示的方向102发生变化。由此，能够实现利用光的二维扫描。
下面，更详细地说明光扫描器件100的动作原理。
<波导元件的动作原理>
图2是示意性地表示一个波导元件10的截面的构造和传播的光的例的图。在图2中，将与图1所示的X方向及Y方向垂直的方向设为Z方向，示意性地示出波导元件10的与XZ面平行的截面。在波导元件10中，一对反射镜30和反射镜40以夹着光波导层20的方式配置。从光波导层20的X方向上的一端导入的光22一边通过设置于光波导层20的上表面(图2中的上侧的表面)的第1反射镜30和设置于下表面(图2中的下侧的表面)的第2反射镜40反复反射，一边在光波导层20内传播。第1反射镜30的光透过率比第2反射镜40的光透过率高。因此，能够主要从第1反射镜30输出光的一部分。
在通常的光纤等波导中，光一边反复进行全反射，一边沿着波导传播。与此相对，在本实施方式中的波导元件10中，光一边通过配置于光波导层20的上下的反射镜30和40反复反射一边传播。因此，对于光的传播角度(即，向反射镜30或40及光波导层20的界面的入射角度)无限制，将对反射镜30或40以更接近垂直的角度入射的光也能够传播。即，将以比全反射的临界角小的角度(即，更接近垂直的角度)入射到界面的光也能够传播。因此，光的传播方向上的光的群速度相比于自由空间中的光速大幅下降。由此，波导元件10具有光的传播条件相对于光的波长、光波导层20的厚度以及光波导层20的折射率的变化大幅变化的性质。
更详细地说明波导元件10的光的传播。将光波导层20的折射率设为nw，将光波导层20的厚度设为d。在此，光波导层20的厚度d是反射镜30或40的反射面的法线方向上的光波导层20的尺寸。当考虑光的干涉条件时，波长λ的光的传播角度θw满足以下的式(1)。
[数1]
2dnwcosθw＝mλ (1)
m是模数。式(1)相当于光波导层20内的光在厚度方向上形成驻波的条件。可认为：在光波导层20内的波长λg为λ/nw时，光波导层20的厚度方向上的波长λg’为λ/(nwcosθw)。在光波导层20的厚度d等于光波导层20的厚度方向上的波长λg’的一半λ/(2nwcosθw)的整数倍时，形成驻波。根据该条件得到式(1)。此外，式(1)中的m表示驻波的波腹(anti-node)的数量。
在反射镜30和40是多层膜反射镜的情况下，在反射时光还侵入反射镜内部。因此，严格地说，需要将与光侵入的部分的光程对应的项附加到式(1)的左边。但是，光波导层20的折射率nw和厚度d的影响远大于光侵入反射镜内部的影响，因此能够利用式(1)来说明基本动作。
在光波导层20内传播的光通过第1反射镜30被出射到外部(典型的是空气)时的出射角度θ按照斯涅耳定律能够如以下的式(2)那样表述。
[数2]
sinθ＝nwSinθw (2)
式(2)是根据在光的出射面中空气侧的光的面方向上的波长λ/sinθ与波导元件10侧的光的传播方向的波长λ/(nwsinθw)相等这样的条件得到的。
利用式(1)和式(2)，能够将出射角度θ如以下的式(3)那样表述。
[数3]
从式(3)可知，能够通过改变光的波长λ、光波导层20的折射率nw以及光波导层20的厚度d中的任一个来改变光的出射方向。
例如在nw＝2、d＝387nm、λ＝1550nm、m＝1的情况下，出射角度是0°。当从该状态将折射率改变为nw＝2.2时，出射角度变化为约66°。另一方面，当不改变折射率而将厚度改变为d＝420nm时，出射角度变化为约51°。当将折射率和厚度都不改变而将波长改变为λ＝1500nm时，出射角度变化为约30°。通过这样改变光的波长λ、光波导层20的折射率nw以及光波导层20的厚度d中的任一个，能够大幅改变光的出射方向。
可考虑利用该原理，通过设置用于改变在光波导层20内传播的光的波长的波长可变单元来控制光的出射方向。然而，如果将波长可变单元嵌入到激光器等光源，则光源的结构变得复杂。
因此，本实施方式中的光扫描器件100通过控制光波导层20的折射率nw和厚度d的一方或两方，来控制光的出射方向。在本实施方式中，光的波长λ在动作中不变化，维持固定。对于波长λ不特别进行限定。例如，波长λ可以包含在能够以一般的通过利用硅(Si)吸收光来检测光的光检测器或图像传感器来得到高的检测灵敏度的400nm～1100nm(从可见光至近红外光)的波长范围。在其它例中，波长λ可以包含于在光纤或Si波导中传播损失比较小的1260nm～1625nm的近红外光的波长范围。此外，这些波长范围是一例。使用的光的波长范围不限定于可见光或红外光的波长范围，例如也可以是紫外光的波长范围。在本实施方式中不进行波长的控制，但是也可以除了折射率和/或厚度的控制以外还进行改变波长的控制。
本发明人们通过光学分析来验证了是否实际能够实现如上所述的向特定方向的光的出射。光学分析是通过进行使用CYBERNET公司的DiffractMOD的计算来进行的。这是基于严格耦合波分析(RCWA：Rigorous Coupled-Wave Analysis)的模拟，能够准确地计算波动光学的效应。
图3是示意性地表示在本模拟中使用的计算模型的图。在该计算模型中，在基板50上，第2反射镜40、光波导层20以及第1反射镜30按该顺序层叠。第1反射镜30和第2反射镜40均是包含电介质多层膜的多层膜反射镜。第2反射镜40具有将折射率相对低的低折射率层42和折射率相对高的高折射率层44交替地各层叠6层(共计12层)的构造。第1反射镜30具有将低折射率层42和高折射率层44交替地各层叠2层(即，共计4层)的构造。在反射镜30与反射镜40之间配置有光波导层20。波导元件10和基板50以外的介质是空气。
使用该模型，一边改变光的入射角度一边调查了对于入射光的光学响应。这对应于调查来自空气的入射光与光波导层20以何种程度耦合。在入射光与光波导层20耦合的条件下，还发生在光波导层20中传播的光被出射到外部这样的相反的过程。因此，求出入射光与光波导层20耦合的情况下的入射角度相当于求出在光波导层20中传播的光出射到外部时的出射角度。如果入射光与光波导层20耦合，则在光波导层20内产生因光的吸收和散射引起的损耗。也就是说，在产生大的损耗的条件下，入射光与波导层20较强地耦合。如果不存在因吸收等引起的光的损耗则光的透过率和反射率的总和为1，但是，如果存在损耗则透过率和反射率的总和小于1。在本计算中，为了引入光的吸收的影响，对光波导层20的折射率引入虚部，计算从1减去透过率和反射率的总和而得到的值来作为损耗的大小。
在本模拟中，设基板50是Si，低折射率层42是SiO2(厚度267nm)，高折射率层44是Si(厚度108nm)。计算出将波长λ＝1.55μm的光改变为各种角度来入射时的损耗的大小。
图4A表示计算出在光波导层20的厚度d为704nm的情况下的光波导层20的折射率nw与模数m＝1的光的出射角度θ的关系的结果。白线表示损耗大。如图4A所示，在nw＝2.2附近，模数m＝1的光的出射角度为θ＝0°。作为具有接近nw＝2.2的折射率的物质，例如存在铌酸锂。
图4B表示计算出在光波导层20的厚度d为446nm的情况下的光波导层20的折射率nw与模数m＝1的光的出射角度θ的关系的结果。如图4B所示，在nw＝3.45附近，模数m＝1的光的出射角度为θ＝0°。作为具有接近nw＝3.45的折射率的物质，例如存在硅(Si)。
这样，通过调整光波导层20的厚度d，能够设计成相对于特定的光波导层20的折射率nw使特定的模数(例如m＝1)的光的出射角度θ成为0°。
确认出：如图4A和图4B所示，根据折射率的变化，出射角度θ大幅变化。如后所述，对于折射率，例如能够利用载流子注入、电光学效应以及热光学效应等各种方法来改变。基于这种方法的折射率的变化为0.1左右，不那么大。因此，到目前为止认为，在这种小的折射率的变化下出射角度不那么大幅地变化。但是，获知了：如图4A和图4B所示，在使出射角度为θ＝0°的折射率附近，当折射率增加0.1时出射角度θ从0°变化至约30°。这样，在本实施方式中的波导元件10中，即使是小的折射率变化也能够大幅调整出射角度。
同样地，如从图4A与图4B的比较可知的那样，确认出：根据光波导层20的厚度d的变化，出射角度θ大幅变化。如后所述，对于厚度d，例如能够通过与两个反射镜中的至少一个反射镜连接的致动器来改变。即使厚度d的变化小，也能够大幅调整出射角度。
这样，通过改变光波导层20的折射率nw和/或厚度d，能够改变从波导元件10出射的光的方向。为了实现这一情况，本实施方式中的光扫描器件100具备改变各波导元件10中的光波导层20的折射率和厚度的至少一方的第1调整元件。关于第1调整元件的结构例，稍后进行说明。
如上，如果使用波导元件10，则能够通过改变光波导层20的折射率nw和厚度d的至少一方来大幅改变光的出射方向。由此，能够使从反射镜30出射的光的出射角度在沿着波导元件10的方向上变化。通过使用至少一个波导元件10，能够实现这种一维的扫描。
图5是示意性地表示利用单个波导元件10来实现一维扫描的光扫描器件100的例的图。在该例中，形成在Y方向上具有扩展的光束点。通过改变光波导层20的折射率，能够使光束点沿着X方向移动。由此，实现一维扫描。由于光束点在Y方向上具有扩展，因此虽然是一个轴向的扫描，但是也能够扫描二维地扩展的比较广的区域。在不需要二维扫描的用途中，也可以采用如图5所示的结构。
在实现二维扫描的情况下，使用如图1所示那样多个波导元件10排列的波导阵列。在多个波导元件10内传播的光的相位满足特定的条件时，光向特定的方向出射。如果该相位的条件发生变化，则光的出射方向在波导阵列的排列方向上也发生变化。即，通过使用波导阵列，能够实现二维扫描。关于用于实现二维扫描的更具体的结构的例，稍后进行说明。
如上，通过使用至少一个波导元件10并改变波导元件10中的光波导层20的折射率和厚度的至少一方，能够改变光的出射方向。但是，对于将光高效地导入到波导元件10的结构，存在改善的余地。本公开的实施方式中的波导元件10不同于利用光的全反射的一般的波导(以下有时称为“全反射波导”)，具备光波导层被一对反射镜(例如多层反射膜)夹着的波导构造(以下有时称为“反射型波导”)。关于光与这种反射型波导的耦合，到目前为止没有充分地研究。本发明人们想到了用于将光高效地导入到光波导层20的新的构造。
图6A是示意性地表示光经由空气和反射镜30间接地输入到光波导层20的结构的例(比较例)的截面图。在本比较例中，传播光从外部经由空气和反射镜30间接地被导入到作为反射型波导的波导元件10的光波导层20。为了将光导入到光波导层20，需要对于光波导层20的内部的导波光的反射角θw满足斯涅耳定律(ninsinθin＝nwsinθw)。在此，nin是外部介质的折射率，θin是传播光的入射角，nw是光波导层20的折射率。考虑该条件来调整入射角θin，由此能够使光的耦合效率最大化。并且，在该例中，在第1反射镜30的局部设置有减少了多层反射膜的膜数的部分。通过从该部分输入光，能够提高耦合效率。但是，在这种结构中，需要根据光波导层20的传播常数的变化(θwav的变化)来改变光对光波导层20的入射角θin。
存在如下方法：为了即使产生光波导层20的传播常数的变化也保持光始终能够与波导耦合的状态，向减少了多层反射膜的膜数的部分入射具有角度扩展的光束。研究如下情况下的耦合效率：作为这种方法的一例，如图6B所示，对于波导元件10，通过以相对于反射镜30的法线方向倾斜了角度θin的方式配置的光纤7从外部经由空气和反射镜30间接地入射了光。为了简单而将光认为是光线。通常的单模光纤的数值孔径(NA)是0.14左右。将其换算为角度则为约±8度。与波导耦合的光的入射角度的范围是与从波导出射的光的扩展角相同的程度。用以下的式(4)表示出射光的扩展角θdiv。
[数4]
在此，L是传播长度，λ是光的波长，θout是光的出射角。当将L设为10μm以上时，θdiv至多也是1度以下。因而，来自光纤7的光的耦合效率为1/16×100％(即，约6.3％)以下。并且，在图7中示出计算出在通过将光的入射角θin固定且改变波导的折射率nw来改变了光的出射角θout时的耦合效率的变化的结果。耦合效率表示导波光的能量相对于入射光的能量的比。图7所示的结果是通过将入射角θin设为30°、将波导膜厚设为1.125μm、将波长设为1.55μm来计算耦合效率而得到的。在该计算中，通过使折射率nw在1.44～1.78的范围内变化，来使出射角θout在10°～65°的范围内变化。如图7所示，在这种结构中，耦合效率最大也小于7％。另外，如果将出射角θout从使耦合效率为峰值的出射角变化20°以上，则耦合效率进一步降低至一半以下。
这样，如果为了进行光扫描而通过改变波导的折射率等来改变传播常数，则耦合效率进一步降低。为了维持耦合效率，需要根据传播常数的变化来改变光的入射角θin。但是，引入用于改变光的入射角θin的机构会招致装置结构的复杂化。本发明人们发现，通过在具有改变折射率或厚度的波导的区域的前级设置具有使折射率和厚度维持固定的波导的区域，能够使光入射角固定。
另外，在考虑不同的两个波导中的导波光的耦合时重要的因素有2点。第1个是传播光的传播常数，第2个是模的电场强度分布。在两个波导中的这些因素越接近则耦合效率越高。为了简单而在几何光学上考虑时，用β＝k·sinθw＝(2πnwsinθw)/λ表示波导中的传播光的传播常数β。将波数设为k，将导波角度设为θw，将波导层折射率设为nw。在全反射型波导中，使用全反射来将导波光封入波导层，因此满足作为全反射条件的nwsinθw>1。另一方面，在慢光波导中，利用存在于波导的上下的多层反射膜来将光封入波导，将导波光的一部分越过多层反射膜来射出，因此nwsinθw<1。在全反射型波导和射出导波光的一部分的慢光波导中，传播常数不会相等。关于电场强度分布，如图70所示的全反射波导的电场强度分布如图71那样在波导内具有峰值，在波导外单调减少。但是，在如图72所示的慢光波导中，电场强度分布如图73所示。在波导内具有峰值这一点无变化，但是由于导波光在电介质多层膜内通过光的干涉而反射，因此如图73所示那样电场强度深深地向电介质多层膜渗出，而且振动地变化。如上，在全反射型波导和慢光波导中，导波光的传播常数、电场强度分布均大不相同。因此，没有考虑过将全反射型波导与慢光波导直接连接起来。本发明人们发现，能够对具有可变的折射率和/或可变的厚度的光波导层直接连接全反射波导。
并且，本发明人们发现，通过将这样的2种波导配置在共同的基板上，能够容易地实现光扫描器件的制作。即，也可以在成一体地形成的一个基板上配置2种波导。一般的波导是使用半导体工艺在基板上制作的。例如，一般来说，通过将利用蒸镀或溅射等进行的成膜与利用光刻或蚀刻等进行的微细加工相组合，来在基板上制作波导的构造。作为基板的材料，可列举Si、SiO2、GaAs、GaN等。
反射型波导也能够使用同样的半导体工艺来制作。在反射型波导中，通过从夹着光波导层的一对反射镜中的一个反射镜透过光，来出射光。在大部分情况下，反射镜是在能够以低成本获得的玻璃基板上制作的。也可以代替玻璃基板而使用Si、SiO2、GaAs、GaN等基板。
通过对反射型波导连接其它波导，能够将光导入到反射型波导。
图8是示意性地表示在基板50A上制作的多个第1波导1与在其它基板50B上制作的多个第2波导10的连接的图。两个基板50A、50B与XY平面平行地配置。多个第1波导1和多个第2波导10沿X方向延伸，在Y方向上排列。第1波导1例如是利用光的全反射的一般的波导。第2波导10是反射型波导。通过将在不同的基板50A、50B上分别配置的第1波导1与第2波导10对位并连接，能够从第1波导1向第2波导10导入光。
为了高效地从第1波导1向第2波导10导入光，期望10nm级的极为高精度的对位。另外，即使实现了高精度的对位，在两个基板50A、50B的热膨胀系数不同的情况下，也会由于温度变化而对位有可能偏移。例如，Si、SiO2、GaAs以及GaN的热膨胀系数分别是大约4、0.5、6以及5(×10-6/K)，常用作玻璃基材的BK7的热膨胀系数是9(×10-6/K)。不管将何种材料作为不同的基材进行组合，都产生1×10-6/K以上的热膨胀系数的差异。例如，在多个第1波导1和多个第2波导10的排列方向(在图中是Y方向)上的两个基板50A、50B的尺寸是1mm的情况下，由于1℃的温度变化而两个基板50A、50B的对位偏移1nm。并且，由于数十℃的温度变化而两个基板50A、50B的对位以数十～百nm级大幅偏移。其结果，无法高效地从第1波导1向第2波导10导入光。
本发明人们想到了，通过在相同的基板上配置第1波导和第2波导，能够解决上述课题。通过在共同的基板上配置这些波导，第1波导和第2波导的对位变得容易。并且，因热膨胀引起的第1波导与第2波导的对位的偏移得以抑制。其结果，能够高效地从第1波导向第2波导导入光。
本公开的某方式中的光扫描器件具备第1波导、与所述第1波导连接的第2波导以及支承所述第1波导和所述第2波导的基板。所述第2波导具有：第1反射镜，具有多层反射膜；第2反射镜，具有与所述第1反射镜的所述多层反射膜对置的多层反射膜；以及光波导层，位于所述第1反射镜与所述第2反射镜之间，传播被输入到所述第1波导且在所述第1波导中传播的光。所述第1反射镜具有比所述第2反射镜高的光透过率，将在所述光波导层内传播的光的一部分出射到所述光波导层的外部。光扫描器件还具备调整元件，该调整元件通过改变所述光波导层的折射率和厚度的至少一方来改变出射光的方向。
上述方式中的“第2波导”相当于前述的实施方式中的“波导元件”。在本公开的实施方式中，在第2波导的前级设置有折射率和厚度均维持固定的第1波导，光输入到第1波导。第1波导传播被输入的光，并从第2波导的端面输入。第1波导与第2波导既可以端面彼此直接连接，例如也可以在端面间具有间隙。在本说明书中“第1波导与第2波导连接”是指，两者以在第1波导与第2波导之间能够进行光的授受的方式存在。作为“第1波导与第2波导连接”的方式，不仅包括第1波导与第2波导直接连接(即接触)的方式，还包括两者隔着与要传播的光的波长相比足够短的间隙来配置的方式。另外，在本公开中，A与B“直接连接”是指，以在A与B之间能够进行光的授受的方式A的某部分与B的某部分无间隙地接触。
根据上述结构，通过将第1波导设置在第2波导(波导元件)的前级，即使将向第1波导入射的光的入射角维持固定，也能够抑制因扫描引起的耦合效率的降低(即能量的损耗)。
根据上述结构，通过在相同的基板上配置第1波导和第2波导，第1波导与第2波导的对位变得容易。并且，因热膨胀引起的第1波导与第2波导的对位的偏移得以抑制。其结果，能够高效地从第1波导向第2波导导入光。
并且，也可以在第1波导的前级设置有第3波导。这样的第3波导与第1波导连接，将在第3波导中传播的光输入到第1波导。在某实施方式中，第3波导可以是全反射波导，第2波导可以是反射型波导。支承第1波导和第2波导的基板也可以还支承第3波导。
图9是示意性地表示在位于第1反射镜30与第2反射镜40之间的光波导层20的两侧配置有隔离物73的结构例的、YZ平面上的波导元件10的截面图。隔离物73的折射率nlow比光波导层的折射率nw低(nlow<nw)。隔离物73例如也可以是空气。隔离物73只要具有比光波导层低的折射率，则也可以是例如TiO2、Ta2O5、SiN、AlN、SiO2等。
图10是示意性地表示将图9中的波导元件10在Y方向上排列而成的波导阵列10A的结构例的、YZ平面上的光扫描器件的截面图。在图10的结构例中，在Y方向上，第1反射镜30的宽度与光波导层20的宽度相同。因此，存在如下课题：导波光从不存在第1反射镜30的区域泄漏。以往未做过如下构想：在将多个反射型波导包括在内地将多个波导元件10阵列化时，通过使第1反射镜30和第2反射镜40的至少一方的宽度比光波导层20的宽度长，来防止导波光的泄漏。
为了提高光扫描的性能，期望的是，使波导阵列10A中的各波导元件10细线化。在该情况下，导波光泄漏这样的课题更为显著。
说明导波光泄漏的原因。
图11是示意性地表示在光波导层20内导波光沿X方向传播的图。由于nw>nlow，因此导波光一边在±Y方向上由于全反射而被封入，一边沿X方向传播。但是，实际上，存在从光波导层20的Y方向上的端面渗出至外侧的倏逝光。另外，如图2所示，导波光一边在±Z方向上通过第1反射镜30和第2反射镜40被反射，一边以比全反射角θin小的角度沿X方向传播。此时，在图10所示的不存在第1反射镜30的区域中，倏逝光不被反射而泄漏到外部。由于该不希望的光损耗，使用于光扫描的光量会降低。
本发明人们想到了，通过在多个波导元件10的排列方向上使第1反射镜30和第2反射镜40的至少一方的宽度比光波导层20的宽度长，能够解决上述课题。由此，能够降低上述的不希望的光损耗。其结果，使用于光扫描的光量的降低得以抑制。
(实施方式)
图12是示意性地表示本公开的例示性的实施方式中的光扫描器件的构造的一部分的截面图。该光扫描器件具备第1波导1以及与第1波导连接的第2波导(波导元件)10。第2波导10具有：第1反射镜30，具有多层反射膜；第2反射镜40，具有与第1反射镜30的多层反射膜对置的多层反射膜；以及光波导层20，位于第1反射镜30与第2反射镜40之间。光波导层20传播被输入到第1波导1且在第1波导1中传播的光。光波导层20向与第1波导1的导波方向相同的方向传播光。第1反射镜30具有比第2反射镜40高的光透过率，将在光波导层20内传播的光的一部分出射到光波导层20的外部。虽然未在图12中示出，但是光扫描器件100还具备调整元件，该调整元件改变光波导层20的折射率和厚度的至少一方。光波导层20包含例如在被施加电压的情况下对于在光波导层20中传播的光的折射率发生变化的材料。调整元件通过对光波导层20施加电压来改变光波导层20的折射率，从而改变从第2波导10出射的光的方向。
第1波导1具有对置的两个多层反射膜3、4以及被两个多层反射膜3、4夹着的光波导层2。为了将导波光无损耗地传播，期望的是，第1波导1中的多层反射膜3、4具有比第2波导10中的光出射侧的多层反射膜(即，第1反射镜30)高的反射率(即，低的透过率)。因此，期望的是，多层反射膜3、4的膜厚大于第1反射镜30的膜厚。第1波导1的折射率、即第1波导1中的光波导层2的折射率不变化，或者变化与光波导层20的折射率不同的量。另外，光波导层2的厚度不变化，或者变化与光波导层20的厚度不同的量。第1波导1与第2波导10中的光波导层20直接连接。例如，第1波导1中的光波导层2的端面与第2波导10中的光波导层20的端面连接。该例中的多层反射膜3具有膜厚比相邻的部位薄的(即反射率低的)部位3a。从该部位3a(还称为“光输入部3a”)输入光。通过这样从反射率低的区域输入光，能够高效地向光波导层2导入光。光波导层2传播被入射到光输入部3a的光，并输入到第2波导10中的光波导层20的端面。由此，能够从光波导层2向光波导层20传播光并从反射镜30出射。
在第2波导10中，由于需要出射光，因此第1反射镜30的多层反射膜的反射率比第2反射镜40的多层反射膜的反射率低。在第1波导1中，为了不使光出射，将多层反射膜3、4的反射率设计成与第2反射镜40的反射率相同程度的大小。
通过这种构造，光扫描器件如后所述那样能够高效地从第2波导10出射光。
图13是示意性地表示光扫描器件的构造的其它例的截面图。在该例中，第1波导1不具有多层反射膜3、4。第1波导1通过全反射来传播光。第1波导1在表面的局部具有光栅5。经由光栅5输入光。在该例中，设置有光栅5的部位作为光输入部发挥功能。通过设置光栅5，容易将光导入到波导1内。在如该例那样不存在多层反射膜3、4的情况下，设计成导波角度θw1满足全反射条件。在该情况下也是，第1波导1的折射率不变化，或者变化与光波导层20不同的量。另外，第1波导1的厚度、即光波导层2的厚度不变化，或者变化与光波导层20的厚度不同的量。另外，第1波导1与第2波导10中的光波导层20直接连接。另外，光波导层20向与第1波导1的导波方向相同的方向传播光。
图14是示意性地表示光扫描器件的构造的又一其它例的截面图。该例中的光扫描器件还具备与第1波导1连接的第3波导1’。第1波导1是反射型波导，具有对置的两个多层反射膜3、4以及其间的光波导层2。另一方面，第3波导1’是通过全反射来传播光的全反射波导。第3波导1’的折射率不变化，或者变化与光波导层20不同的量。另外，第3波导1’的厚度、即光波导层2’的厚度不变化，或者变化与光波导层20的厚度不同的量。另外，第3波导1’与第2波导10中的光波导层20直接连接。另外，光波导层20向与第3波导1’的导波方向相同的方向传播光。第3波导1’与图13的例中的第1波导1同样地在表面的局部具有光栅5’。来自光源的光经由光栅5’输入到第3波导1’内。在该例中，设置有光栅5’的部位作为光输入部发挥功能。对于第2波导10中的光波导层20，利用未图示的调整元件(例如调制元件)来调制折射率或厚度。另一方面，对于第1波导1，不具有这种调制功能。为了抑制从第1波导1出射光，第1波导1的反射镜(即，多层反射膜3、4)的反射率被设定为比第2波导10的第1反射镜30的反射率高。第2波导10中的第1反射镜30的反射率被设定为比第2反射镜40的反射率低。通过这种结构，输入到第3波导1’的光在第3波导1’和第1波导1中传播并输入到第2波导10。该光进一步在第2波导10的光波导层20中传播，并且经由第1反射镜30出射到外部。
图15和图16A至图16C是表示在光输入到第1波导1的结构中向第1波导1输入光的方法的例的图。图15表示如图12所示的例那样向被两个多层反射膜夹着的光波导层2入射光的一例。如图示的那样，通过对多层反射膜的膜厚薄的部位(即，反射率低的部位)3a入射光，能够高效地将光导入到光波导层2。图16A表示如图13所示的例那样经由设置于第1波导1的表面的光栅5向第1波导1导入光的例。图16B表示从第1波导1的端面输入光的例。图16C表示从设置于第1波导1的表面的激光光源6经由该表面输入光的例。如图16C那样的结构例如公开在M.Lamponi et al.，“Low-Threshold Heterogeneously Integrated InP/SOILasers With a Double Adiabatic Taper Coupler，”IEEE PHOTONICS TECHNOLOGYLETTER S，VOL.24，NO.1，JANUARY 1，2012，pp76-78.。将该文献的公开内容整体引用到本申请说明书。根据以上的结构，能够高效地使光入射到波导1。
图15至图16C所示的光的输入方法均还能够应用于图14所示的使用第3波导1’的结构。在图14所示的例中，在第3波导1’的表面的局部设置有光栅5’，但是也可以不设置光栅5’。例如能够将图16B或图16C所示的光的输入方法应用于第3波导1’。在将图16B所示的光的输入方法应用于第3波导1’的情况下，第3波导1’传播从第3波导1’的端面入射的光并输入到第1波导1的端面。在将图16C所示的光的输入方法应用于第3波导1’的情况下，从设置于第3波导1’的表面的激光光源经由该表面输入光。第3波导1’传播被输入的光并输入到第1波导1的端面。另外，第3波导1’不需要是全反射波导，也可以是如图15所示那样的反射型波导。
如图12和图13所示，将第1波导1的光波导层2的折射率设为nw1，将第2波导10的光波导层20的折射率设为nw2，将来自第2波导10的光的出射角设为θ，将第1波导1中的导波光的反射角设为θw1，将第2波导10中的导波光的反射角设为θw2。另外，如图14所示，将第3波导1’中的光波导层2’的折射率设为nw3，将第3波导1’中的导波光的反射角设为θw3。在本实施方式中，为了从第2波导10将光取出到外部(例如，折射率为1的空气层)，满足nw2sinθw2＝sinθ<1。
<导波光耦合的原理>
下面，参照图12和图13来说明波导1、10间的导波光的耦合的原理。为了简单，将在波导1、10内传播的光近似地认为是光线。假定在波导10的上下的多层反射膜与光波导层20的界面以及波导1的上下的多层反射膜与光波导层2的界面(或者，光波导层2与外部介质的界面)，光完全被反射。将第1波导1中的光波导层2的厚度设为d1，将第2波导10中的光波导层20的厚度设为d2。在波导1、10各自中，存在传播光的条件用以下的式(5)、(6)表示。
2d1nw1cosθw1＝mλ (5)
2d2nw2cosθw2＝mλ (6)
在此，λ是光的波长，m是1以上的整数。
当针对波导1、10的界面考虑斯涅耳定律时，式(7)成立。
nw1sin(90°-θw1)＝nw2sin(90°-θw2) (7)
当使式(7)变形时，得到下式(8)。
nw1cosθw1＝nw2cosθw2 (8)
在式(5)和(8)成立时，在d1与d2相等的情况下，即使在nw2发生变化的情况下式(6)也成立。也就是说，即使在光波导层20的折射率发生变化的情况下，也高效地从光波导层2向光波导层20传播光。
在上式的导出时为了简单而将光认为是光线，但是实际上厚度d1、d2是与波长λ相同的程度(最长也是波长的10倍以下)，因此导波光具有波动性。因而，严格地说，作为上述的折射率nw1、nw2，需要考虑有效折射率，而不是光波导层2、20的材料的折射率。另外，即使在光波导层2的厚度d1与光波导层20的厚度d2不相同的情况下、或者不是严格地满足式(8)的情况下，光也能从光波导层2导波到光波导层20。这是因为，从光波导层2向光波导层20的光的传递是通过近场来进行。即，如果存在光波导层2的电场分布与光波导层20中的电场分布的重叠，则从光波导层2向光波导层20传递光。
以上的讨论对于图14所示的例中的第3波导1’与第1波导1之间的导波光也同样成立。
<计算结果>
为了确认本实施方式的效果，本发明人们将条件各种各样地变化来计算出光的耦合效率。计算中使用Photon Design公司的FIMMWAVE。
首先，针对如图12所示那样波导1、10均被多层反射膜夹着的结构计算出耦合效率。在以下的计算中，从波导1向波导10传播的光的模数是m＝2，但是，只要波导1与波导10的光的模数相同，就基于同样的原理来光进行耦合。因此，光的模数不限于m＝2。
图17表示在将nw1设为1.45、将d1设为1.27μm、将波长λ设为1.55μm的情况下的从波导1向波导10的导波光的耦合效率的d2依赖性。横轴是将d2除以将导波光假定为光线的情况下的截止膜厚dcutoff(＝mλ/(2nw2))而得到的值。纵轴是将峰值标准化为1时的耦合效率。计算是从满足导波光无法存在的截止条件的下限值进行到光被射出到外部的上限值为止。另外，针对nw2为1.3、1.6、1.9、2.2、2.5的各个情况进行了计算。设第1波导1的厚度方向的中心与第2波导10的厚度方向的中心相同。从图17所示的结果可知，d2/dcutoff越大则耦合效率越高。随着d2/dcutoff变小，模变得无法存在，耦合效率降低。
图18表示将nw1变更为3.48、将d1变更为0.5μm并利用同样的方法进行的计算的结果。在该情况下，从波导1向波导10传播的光的模数也是m＝2，但是如前述那样光的模数不限于m＝2。从图18可知，d2/dcutoff越大则耦合效率越高，随着d2/dcutoff变小，模变得无法存在，耦合效率降低。
在图17和图18中，在d2/dcutoff为比1低的值时也存在模(即导波光进行耦合)是因为，起因于通过多层反射膜反射时的光的渗出，光波导层2的有效厚度变得比d2厚。d2的上限是光不出射到外部的值。该值是在将导波光认为是光线、且假定各波导的上下的多层反射膜使光在与波导的界面完全反射时导波光的反射角相对于大气成为全反射角度时的d2。此时，满足下式(9)。
nw2sinθw2＝1 (9)
根据式(6)、式(9)以及dcutoff＝mλ/(2nw2)，下式(10)成立。
d2/dcutoff＝nw2/√(nw2 2-1) (10)
起因于在多层反射膜反射时的光的渗出，导波光的有效折射率变得低于nw2。因此，与式(6)相比，d2的上限值变大。
在本实施方式的结构中，期望的是，耦合效率高于图6B所示的结构。例如，根据图17和图18的结果满足以下的式，由此满足耦合效率为比图7所示的峰值高的7％以上这样的条件。
0.95×dcutoff<d2<1.5×dcutoff
(0.95×mλ/(2nw2)<d2<1.5×mλ/(2nw2))
图19是将横轴设为d2/dcutoff、将纵轴设为折射率比(|nw1-nw2|/nw1)来对耦合效率为0.5以上的情况和耦合效率小于0.5的情况进行了分类的图。例如，折射率比小于0.4、且满足以下的式，由此满足耦合效率为0.5(50％)以上这样的条件。
0.95×dcutoff<d2<1.5×dcutoff
在本实施方式中，第1波导1的折射率nw1大于第2波导10的折射率nw2(nw1>nw2)。但是，本公开不限定于这种结构，也可以是nw1≤nw2。
图20是表示第1波导1中的光波导层2的厚度方向的中心与第2波导10中的光波导层20的厚度方向的中心偏移了Δz的结构的图。关于Δz的正负，如图20所示，将第2波导10的光波导层20的厚度方向的中心线比第1波导1的光波导层2的厚度方向的中心线靠光放射侧(即，第1反射镜30的一侧)时设为正。将第1波导1的光波导层2的厚度d1与第2波导10的光波导层20的厚度d2之差的绝对值设为Δd。在Δz＝Δd/2时，波导1的光波导层2的下部(即，与光放射侧相反的一侧)与波导10的光波导层20的下部的Z方向的位置一致。
图21是表示从第1波导1向第2波导10的光的耦合效率的Δz依赖性的图。图21的结果是通过将nw1设为2.2、将波长λ设为1.55μm、将nw2设为2.2、将Δd设为0.12μm并改变Δz来计算耦合效率而得到的。图21所示的耦合效率是用Δz＝0的情况下的值进行了标准化的。在光波导层2、20的厚度方向的中心线向Z方向偏移的情况下，耦合效率相比于Δz为零(0)的情况变低。但是，在-Δd/2<Δz<Δd/2的情况下，成为在Δz为0的情况下的耦合效率的90％以上，能够维持比较高的耦合效率。
关于如图13所示的例那样第1波导1通过全反射来对光进行导波的结构，基本原理也相同，在波导1、10中传播的导波光能够相互耦合。针对图13所示的结构，也通过计算来求出从第1波导1向第2波导10的导波光的耦合效率的d2依赖性。图22A表示在将nw1设为2.2、将d1设为0.7μm、将波长λ设为1.55μm的情况下的耦合效率的d2依赖性。图22B表示在将nw1设为3.48、将d1设为0.46μm、将波长λ设为1.55μm的情况下的耦合效率的d2依赖性。例如通过满足以下的式，满足耦合效率为7％以上这样的条件。
0.95×dcutoff<d2<1.5×dcutoff
(即，0.95×mλ/(2nw2)<d2<1.5×mλ/(2nw2))
另外，例如通过满足以下的式，满足耦合效率为50％以上这样的条件。
1.2×dcutoff<d2<1.5×dcutoff
(即，1.2×mλ/(2nw2)<d2<1.5×mλ/(2nw2))
在图13的结构中也是，既可以是nw1>nw2，也可以是nw1≤nw2。
如上所述，从波导1向波导10传播的光的模数不限定于m＝2。可知，当在例如nw1＝1.883、d1＝0.3μm、nw2＝1.6、d2＝0.55μm的条件下使用如图23A那样的模型进行计算时，如图23B所示那样光与波导耦合。
接着，研究在第1波导1与第2波导10之间存在间隙的情况。
图24A是表示本实施方式的变形例的截面图。在该例中，第2波导10中的光波导层20经由间隙(例如空隙)与第1波导1连接。即使在这样第1波导1与第2波导10之间存在间隙的情况下，由于经由波导模的近场来光进行耦合，因此，只要间隙宽度(X方向的宽度)相比于波长λ足够小，则导波光也在波导1、10之间耦合。这与如图6A或图6B那样从自由空间中的传播光向波导模耦合的方法不同。
图24B是表示耦合效率的间隙宽度依赖性的计算结果的图。图24B中的耦合效率是以间隙为0μm时的值为1来进行了标准化的值。在计算中，将nw1设为3.48，将nw2设为1.5，将d1设为0.9μm，将d2设为1.1μm，将间隙的折射率设为1，将波长λ设为1.55μm。根据图24B，标准化的耦合效率为50％以上的情况是间隙为0.24μm以下的情况。当考虑间隙为空气以外的介质的情况以及波长λ不同于1.55μm的情况时，如果间隙的光学长度(即，间隙的折射率与间隙宽度之积)为λ/6.5以下，则标准化的耦合效率为50％以上。该间隙的光学长度不依赖于波导1、10的参数。
在如图14所示的例那样从第3波导1’对第1波导1输入光的方式中也同样地，也可以在第3波导1’的端面与第1波导1的端面之间存在间隙。如前所述，间隙的光学长度(间隙的折射率与间隙宽度之积)例如被设定为λ/6.5以下。
接着，说明将本实施方式中的第1波导1与第2波导10的组合(在本说明书中称为“波导单元”)使用多组来实施二维的光扫描的结构。能够执行二维扫描的光扫描器件具备在第1方向上排列的多个波导单元以及对各波导单元进行控制的调整元件(例如致动器与控制电路的组合)。调整元件改变各波导单元中的第2波导10中的光波导层20的折射率和厚度的至少一方。由此，能够改变从各第2波导10出射的光的方向。另外，通过对多个波导单元中的第2波导10输入适当地调整了相位差的光，如参照图1说明的那样，能够进行光的二维扫描。下面，更详细地说明用于实现二维扫描的实施方式。
<二维扫描的动作原理>
在多个波导元件(即，第2波导)10在一个方向上排列而成的波导阵列中，由于从各个波导元件10出射的光的干涉，光的出射方向发生变化。通过调整向各波导元件10供给的光的相位，能够改变光的出射方向。下面，说明其原理。
图25A是表示向与波导阵列的出射面垂直的方向出射光的波导阵列的截面的图。在图25A中还记载了在各波导元件10中传播的光的相移量。在此，相移量是以在左端的波导元件10中传播的光的相位为基准的值。本实施方式中的波导阵列包括等间隔地排列的多个波导元件10。在图25A中，虚线的圆弧表示从各波导元件10出射的光的波面。直线表示由于光的干涉而形成的波面。箭头表示从波导阵列出射的光的方向(即，波矢量的方向)。在图25A的例中，在各波导元件10中的光波导层20中传播的光的相位均相同。在该情况下，光向与波导元件10的排列方向(Y方向)及光波导层20延伸的方向(X方向)这两方垂直的方向(Z方向)出射。
图25B是表示向与垂直于波导阵列的出射面的方向不同的方向出射光的波导阵列的截面的图。在图25B的例中，在多个波导元件10中的光波导层20中传播的光的相位在排列方向上各相差固定量(Δφ)。在该情况下，光向与Z方向不同的方向出射。通过改变该Δφ，能够改变光的波矢量的Y方向的分量。
对于从波导阵列向外部(在此设为空气)出射的光的方向，能够如下那样定量地讨论。
图26是示意性地表示三维空间中的波导阵列的立体图。在用相互正交的X、Y以及Z方向定义的三维空间中，将光被出射到空气的区域与波导阵列的边界面设为Z＝z0。该边界面包括多个波导元件10各自的出射面。在Z<z0时，在Y方向上多个波导元件10等间隔地排列，多个波导元件10各自沿X方向延伸。在Z>z0时，向空气出射的光的电场矢量E(x、y、z)用以下的式(11)表示。
[数5]
E(X，y，z)＝E0exp[-j(kxx+kyy+kzz)] (11)
其中，E0是电场的振幅矢量，kx、ky以及kz分别是X、Y以及Z方向上的波数(wavenumber)，j是虚数单位。在该情况下，向空气出射的光的方向与在图26中用粗箭头表示的波矢量(kx、ky、kz)平行。波矢量的大小用以下的式(12)表示。
[数6]
根据Z＝z0时的电场的边界条件，与边界面平行的波矢量分量kx和ky分别与波导阵列中的光的X方向和Y方向上的波数一致。这相当于与式(2)的斯涅耳定律同样地，在边界面，空气侧的光所具有的面方向的波长与波导阵列侧的光所具有的面方向的波长一致的条件。
kx等于在沿X方向延伸的波导元件10的光波导层20中传播的光的波数。在上述的图2所示的波导元件10中，使用式(2)和式(3)来用以下的式(13)表示kx。
[数7]
ky是根据相邻的两个波导元件10之间的光的相位差导出的。将在Y方向上等间隔地排列的N根波导元件10各自的Y方向的中心设为yq(q＝0、1、2、···、N-1)，将相邻的两个波导元件10之间的距离(中心间距离)设为p。此时，向空气出射的光的电场矢量(式(11))在边界面内(Z＝z0)的yq和yq+1时满足以下的式(14)的关系。
[数8]
E(x，yq+1，z0)＝exp[-jky(yq+1-yq)]E(x，yq，z0)＝exP[-jkyP]E(x，yq，z0) (14)
如果设定成任意的相邻的两个波导元件10的相位差成为Δφ＝kyp(固定)，则ky满足以下的式(15)的关系。
[数9]
在该情况下，yq时的光的相位成为φq＝φ0+qΔφ(φq+1-φq＝Δφ)。也就是说，相位φq沿着Y方向固定(Δφ＝0)、或成比例地增加(Δφ>0)或减少(Δφ<0)。在Y方向上排列的波导元件10不是等间隔的情况下，例如设定成：相对于期望的ky，yq和yq+1时的相位差成为Δφq＝φq+1-φq＝ky(yq+1-yq)。在该情况下，yq时的光的相位成为φq＝φ0+ky(yq-y0)。如果使用从式(14)和式(15)分别得到的kx和ky，则从式(12)导出kz。由此，得到光的出射方向(即，波矢量的方向)。
例如，如图26所示，将出射光的波矢量(kx、ky、kz)与将该波矢量投影到YZ平面所得到的矢量(0、ky、kz)所成的角度设为θ。θ是波矢量与YZ平面所成的角度。使用式(12)和式(13)来用以下的式(16)表示θ。
[数10]
式(16)与限定为出射光与XZ平面平行的情况时的式(3)完全相同。从式(16)可知，波矢量的X分量依赖于光的波长、光波导层20的折射率以及光波导层20的厚度发生变化。
同样地，如图26所示，将出射光(0阶光)的波矢量(kx、ky、kz)与将该波矢量投影到XZ平面所得到的矢量(kx、0、kz)所成的角度设为α0。α0是波矢量与XZ平面所成的角度。使用式(12)和式(13)来用以下的式(17)表示α0。
[数11]
从式(17)可知，光的波矢量的Y分量根据光的相位差Δφ而变化。
这样，还能够代替波矢量(kx、ky、kz)而使用从式(16)和式(17)分别得到的θ和α0来确定光的出射方向。在该情况下，表示光的出射方向的单位矢量能够表示为(sinθ、sinα0、(1-sin2α0-sin2θ)1/2)。在光出射中这些矢量分量全部必须是实数，因此满足sin2α0+sin2θ≤1。从sin2α0≤1-sin2θ＝cos2θ可知，出射光在满足-cosθ≤sinα0≤cosθ的角度范围内变化。由于-1≤sinα0≤1，因此在θ＝0°时，出射光在-90°≤α0≤90°的角度范围内变化。但是，当θ增加时cosθ变小，因此α0的角度范围变窄。在θ＝90°(cosθ＝0)时，仅在α0＝0°时光才出射。
只要至少2根波导元件10就能够实现本实施方式中的利用光的二维扫描。但是，在波导元件10的根数少的情况下，上述的α0的扩展角度Δα变大。当波导元件10的根数增加时Δα变小。对此，能够如下进行说明。为了简单，在图26中考虑θ＝0°的情况。也就是说，考虑光的出射方向与YZ平面平行的情况。
设从N根(N是2以上的整数)波导元件10分别出射具有相同的出射强度和上述的相位φq的光。此时，从N根波导元件10出射的合计的光(电场)的振幅分布的绝对值在远场中与用以下的式(18)表示的F(u)成比例。
[数12]
其中，用以下的式(19)表示u。
[数13]
α是在YZ平面上将观测点与原点连接的直线与Z轴所成的角度。α0满足式(17)。式(18)的F(u)在u＝0(α＝α0)时成为N(最大)，在u＝±2π/N时成为0。当将满足u＝-2π/N和2π/N的角度分别设为α1和α2(α1<α0<α2)时，α0的扩展角度为Δα＝α2-α1。-2π/N<u<2π/N(α1<α<α2)的范围的峰值一般被称为主瓣。在主瓣的两侧存在被称为旁瓣的多个小的峰值。当将主瓣的宽度Δu＝4π/N与从式(19)得到的Δu＝2πpΔ(sinα)/λ进行比较时，成为Δ(sinα)＝2λ/(Np)。如果Δα小，则Δ(sinα)＝sinα2-sinα1＝[(sinα2-sinα1)/(α2-α1)]Δα≒[d(sinα)/dα]α＝α0Δα＝cosα0Δα。因此，用以下的式(20)表示扩展角度。
[数14]
因而，波导元件10的根数越多，则能够使扩展角度Δα越小，在远方也能够实现高精细的光扫描。同样的讨论还能够应用于在图26中θ≠0°的情况。
<从波导阵列出射的衍射光>
从波导阵列除了出射0阶光以外，还有可能出射高阶的衍射光。为了简单，考虑在图26中θ＝0°的情况。也就是说，衍射光的出射方向与YZ平面平行。
图27A是表示在p大于λ的情况下从波导阵列出射衍射光的情形的示意图。在该情况下，如果没有相移(α0＝0°)，则向图27A所示的实线箭头的方向出射0阶光和±1阶光(根据p的大小，还有可能出射高阶的衍射光)。当从该状态起赋予相移时(α0≠0°)，如图27A所示的虚线箭头那样，0阶光和±1阶光的出射角度向相同的旋转方向发生变化。还能够使用如±1阶光那样的高阶光来进行光束扫描，但是在更简单地构成器件的情况下，仅使用0阶光。为了避免0阶光的增益降低，也可以通过使相邻的两个波导元件10之间的距离p小于λ来抑制高阶光的出射。即使在p>λ时，也能够通过物理性地遮断高阶光来仅使用0阶光。
图27B是表示在p小于λ的情况下从波导阵列出射衍射光的情形的示意图。在该情况下，如果没有相移(α0＝0°)，则高阶的衍射光由于衍射角度超过90度而不存在，向前方仅出射0阶光。但是，在p为接近λ的值的情况下，如果赋予相移(α0≠0°)，则随着出射角度的变化而有时出射±1阶光。
图27C是表示在p≒λ/2的情况下从波导阵列出射衍射光的情形的示意图。在该情况下，即使赋予相移(α0≠0°)，也不出射±1阶光，或者即使出射了，也是以非常大的角度来出射。在p<λ/2的情况下，即使赋予相移，也不会出射高阶的光。但是，也没有使p进一步变小而获得的特别的优点。因此，p能够设定为例如λ/2以上。
对于图27A至图27C中的向空气出射的0阶光与±1阶光的关系，能够如下那样定量地进行说明。式(18)的F(u)由于是F(u)＝F(u+2π)，因此是2π的周期函数。在u＝±2mπ时，F(u)＝N(最大)。此时，以满足u＝±2mπ的出射角度α来出射±m阶光。将u＝±2mπ(m≠0)附近的峰值(峰值宽度为Δu＝4π/N)称为光栅瓣。
当仅考虑高阶光中的±1阶光时(u＝±2π)，±1阶光的出射角度α±满足以下的式(21)。
[数15]
根据不出射+1阶光的条件sinα+>1，得到p<λ/(1-sinα0)。同样地，根据不出射-1阶光的条件sinα-<-1，得到p<λ/(1+sinα0)。
关于对于出射角度α0(>0)的0阶光是否出射±1阶光的条件，如下那样进行分类。在p≥λ/(1-sinα0)的情况下，出射±1阶光这两方。在λ/(1+sinα0)≤p<λ/(1-sinα0)的情况下，不出射+1阶光而出射-1阶光。在p<λ/(1+sinα0)的情况下，±1阶光均不出射。特别是，如果满足p<λ/(1+sinα0)，则在图26中θ≠0°的情况下也不出射±1阶光。例如在不出射±1阶光的情况下为了达成单侧10度以上的扫描，设为α0＝10°，p满足p≤λ/(1+sin10°)≒0.85λ的关系。例如，如果将该式与针对关于p的前述的下限的条件进行组合，则p满足λ/2≤p≤λ/(1+sin10°)。
但是，为了满足不出射±1阶光的条件，需要使p非常小。这使得波导阵列的制作困难。因此，考虑与±1阶光的有无无关地将0阶光在0°<α0<αmax的角度范围内进行扫描。其中，设±1阶光在该角度范围内不存在。为了满足该条件，在α0＝0°时，+1阶光的出射角度必须是α+≥αmax(即，sinα+＝(λ/p)≥sinαmax)，在α0＝αmax时，-1阶光的出射角度必须是α-≤0(即，sinα-＝sinαmax-(λ/p)≤0)。根据这些限制，得到p≤λ/sinαmax。
根据上述的讨论，±1阶光在扫描的角度范围内不存在的情况下的0阶光的出射角度α0的最大值αmax满足以下的式(22)。
[数16]
例如，为了在±1阶光在扫描的角度范围内不存在的情况下达成单侧10度以上的扫描，设为αmax＝10°，满足p≤λ/sin10°≒5.76λ。例如，如果将该式与针对关于p的前述的下限的条件进行组合，则p满足λ/2≤p≤λ/sin10°。该p的上限(p≒5.76λ)相比于不出射±1阶光的情况下的上限(p≒0.85λ)足够大，因此波导阵列的制作比较容易。在此，在所使用的光不是单一波长的光的情况下，将所使用的光的中心波长设为λ。
根据以上内容，为了扫描更广的角度范围，需要使波导间的距离p变小。另一方面，为了在p小的情况下使式(20)中的出射光的扩展角度Δα变小，需要增加波导阵列的根数。波导阵列的根数是根据用途和所要求的性能适当决定的。波导阵列的根数例如是16根以上，根据用途可以是100根以上。
<导入到波导阵列的光的相位控制>
为了控制从各个波导元件10出射的光的相位，例如在向波导元件10导入光的前级设置改变光的相位的移相器。本实施方式中的光扫描器件100具备与多个波导元件10分别连接的多个移相器以及对在各移相器中传播的光的相位进行调整的第2调整元件。各移相器包括与多个波导元件10的对应的一个波导元件10中的光波导层20直接或经由其它波导连接的波导。第2调整元件通过分别改变从多个移相器向多个波导元件10传播的光的相位的差来改变从多个波导元件10出射的光的方向(即，第3方向D3)。在以下的说明中，与波导阵列同样地，有时将排列的多个移相器称为“移相器阵列”。
图28是表示移相器80与波导元件10直接连接的结构的例的示意图。在图28中，用虚线框包围的部分相当于移相器80。该移相器80具有对置的一对反射镜(第5反射镜30a和第6反射镜40a，以下有时仅称为反射镜)以及设置于反射镜30a与反射镜40a之间的波导20a。该例中的波导20a是由与波导元件10中的光波导层20共同的构件构成，与光波导层20直接连接。同样地，反射镜40a也由与波导元件10中的反射镜40共同的构件构成，与反射镜40连接。反射镜30a具有比波导元件10中的反射镜30低的透过率(高的反射率)。反射镜30a与反射镜30连接。在移相器80中，为了不放射光，反射镜30a的透过率被设计成与反射镜40、40a同样的低值。即，第5反射镜30a和第6反射镜40a的光透过率比第1反射镜30的光透过率低。在该例中，移相器80相当于本公开中的“第1波导”。这样，“第1波导”也可以作为移相器发挥功能。
图29是从光出射面的法线方向(Z方向)观察波导阵列10A和移相器阵列80A的示意图。在图29所示的例中，全部移相器80均具有相同的传播特性，全部波导元件10均具有相同的传播特性。各个移相器80和各个波导元件10既可以是相同的长度，也可以是长度不同。在各个移相器80的长度相等的情况下，例如利用驱动电压来调整各自的相移量。另外，通过设为使各个移相器80的长度等步进地变化的构造，还能够用相同的驱动电压来赋予等步进的相移。并且，该光扫描器件100还具备：光分支器90，将光分支后供给至多个移相器80；第1驱动电路110，对各波导元件10进行驱动；以及第2驱动电路210，对各移相器80进行驱动。图29中的直线的箭头表示光的输入。通过对分开设置的第1驱动电路110和第2驱动电路210分别独立地进行控制，能够实现二维扫描。在该例中，第1驱动电路110作为第1调整元件的一个要素发挥功能，第2驱动电路210作为第2调整元件的一个要素发挥功能。
第1驱动电路110如后所述那样通过改变(调制)各波导元件10中的光波导层20的折射率或厚度，来改变从光波导层20出射的光的角度。第2驱动电路210如后所述那样通过改变各移相器80中的波导20a的折射率，来改变在波导20a的内部传播的光的相位。光分支器90既可以由通过全反射来传播光的波导构成，也可以由与波导元件10同样的反射型波导构成。
此外，也可以在针对在光分支器90中分支后的各个光控制相位之后，将各个光导入到移相器80。在该相位控制中，例如能够使用通过调整到移相器80为止的波导的长度来进行的被动的相位控制构造。或者，也可以使用具有与移相器80同样的功能的能够用电信号进行控制的移相器。也可以通过这种方法，例如在向移相器80导入之前调整相位，使得向全部移相器80供给等相位的光。通过这种调整，能够使第2驱动电路210对各移相器80的控制简单。
图30是示意性地表示移相器80中的波导经由其它波导85与波导元件10中的光波导层20连接的结构的例的图。其它波导85也可以是上述的任意的第1波导1。另外，其它波导85也可以是图14所示的波导1和1’。各移相器80既可以具有与图28所示的移相器80相同的结构，也可以具有不同的结构。在图30中，使用表示相移量的符号φ0～φ5来简易地表现了移相器80。在以后的图中也有时使用同样的表现。在移相器80中能够使用利用全反射来传播光的波导。在该情况下，不需要如图28所示的反射镜30a和40a。
图31是表示在光分支器90中插入了排列成级联状的多个移相器80的结构例的图。在该例中，在光分支器90的路径中途连接有多个移相器80。各移相器80对所传播的光赋予固定的相移量φ。通过使各个移相器80对传播光赋予的相移量固定，相邻的两个波导元件10之间的相位差变得相等。因而，第2调整元件能够向全部移相器80发送共同的相位控制信号。因此，具有结构变得容易的优点。
为了在光分支器90、移相器80以及波导元件10等之间高效地传播光，可以利用波导。对波导可以使用具有比周围的材料高的折射率的、光的吸收少的光学材料。例如，可以使用Si、GaAs、GaN、SiO2、TiO2、Ta2O5、AlN、SiN等材料。另外，为了从光分支器90向波导元件10传播光，也可以使用上述的任意的第1波导1。另外，为了从光分支器90向波导元件10传播光，也可以使用图14所示的波导1和1’。
在移相器80中，为了对光赋予相位差而需要改变光程的机构。为了改变光程，在本实施方式中，对移相器80中的波导的折射率进行调制。由此，能够调整从相邻的两个移相器80向波导元件10供给的光的相位差。更具体地说，通过进行移相器80所具有的波导内的相移材料的折射率调制，能够赋予相移。关于进行折射率调制的结构的具体例，稍后进行说明。
<第1调整元件的例>
接着，说明对波导元件10中的光波导层20的折射率或厚度进行调整的第1调整元件的结构例。首先，说明调整折射率的情况下的结构例。
图32A是示意性地表示第1调整元件60(以下，有时仅称为调整元件)的结构的一例的立体图。在图32A所示的例中，具有一对电极62的调整元件60被组合在波导元件10。光波导层20被一对电极62夹着。光波导层20和一对电极62设置于第1反射镜30与第2反射镜40之间。光波导层20的侧面(与XZ面平行的表面)的整体与电极62接触。光波导层20包括在被施加电压的情况下对于在光波导层20中传播的光的折射率发生变化的折射率调制材料。调整元件60还具有从一对电极62引出的布线64以及与布线64连接的电源66。通过接通电源66来通过布线64对一对电极62施加电压，由此能够对光波导层20的折射率进行调制。因此，还能够将调整元件60称为折射率调制元件。
图32B是示意性地表示第1调整元件60的其它结构例的立体图。在该例中，只有光波导层20的侧面的一部分与电极62接触。除此以外的方面与图32A所示的结构相同。这样，即使是局部地改变光波导层20的折射率的结构，也能够改变出射光的方向。
图32C是示意性地表示第1调整元件60的又一其它结构例的立体图。在该例中，一对电极62具有与反射镜30和40的反射面大致平行的层状的形状。一个电极62被夹在第1反射镜30与光波导层20之间。另一个电极62被夹在第2反射镜40与光波导层20之间。在采用这种结构的情况下，能够对电极62使用透明电极。根据这种结构，具有制造比较容易的优点。
在图32A至图32C所示的例中，各波导元件10中的光波导层20包括在被施加电压的情况下对于在光波导层20中传播的光的折射率发生变化的材料。第1调整元件60具有夹着光波导层20的一对电极62，通过对一对电极62施加电压，来改变光波导层20的折射率。关于电压的施加，能够由前述的第1驱动电路110来进行。
在此，说明可以使用于各结构要素的材料的例。
作为反射镜30、40、30a以及40a的材料，能够使用例如由电介质形成的多层膜。关于使用多层膜的反射镜，例如能够通过将各自具有1/4波长的光学厚度的、折射率不同的多个膜周期性地形成来制作。根据这种多层膜反射镜，能够得到高的反射率。作为膜的材料，例如能够使用SiO2、TiO2、Ta2O5、Si、SiN等。各反射镜不限于多层膜反射镜，也可以由Ag、Al等金属形成。
对于电极62和布线64，能够利用具有导电性的各种材料。例如能够使用Ag、Cu、Au、Al、Pt、Ta、W、Ti、Rh、Ru、Ni、Mo、Cr、Pd等金属材料、或ITO、氧化锡、氧化锌、IZO(注册商标)、SRO等无机化合物、或PEDOT、聚苯胺等导电性高分子等导电性材料。
作为光波导层20的材料，能够利用电介质、半导体、电光学材料、液晶分子等各种透光性的材料。作为电介质，例如可列举SiO2、TiO2、Ta2O5、SiN、AlN。作为半导体材料，例如可列举Si系、GaAs系、GaN系的材料。作为电光学材料，例如可列举铌酸锂(LiNbO3)、钛酸钡(BaTi3)、钽酸锂(LiTaO3)、氧化锌(ZnO)、锆钛酸镧铅(PLZT)、铌钽酸钾(KTN)等。
作为对光波导层20的折射率进行调制的方法，例如存在利用载流子注入效应、电光学效应、双折射效应或热光学效应的方法。下面，说明各方法的例。
关于利用载流子注入效应的方法，可以通过利用半导体的pin结的结构来实现。在该方法中，使用用p型半导体和n型半导体夹着掺杂浓度低的半导体的构造，通过对半导体注入载流子来对折射率进行调制。在该结构中，各波导元件10中的光波导层20包含半导体材料。一对电极62中的一个电极62可以包括p型半导体，另一个电极62可以包括n型半导体。第1调整元件60通过对一对电极62施加电压来对半导体材料注入载流子，改变光波导层20的折射率。只要用无掺杂或低掺杂浓度的半导体制作光波导层20，并以与其相接的方式设置p型半导体和n型半导体即可。也可以设为如下的复合结构：以p型半导体及n型半导体与低掺杂浓度的半导体相接的方式配置，并且导电性材料与p型半导体及n型半导体相接。例如，当对Si注入1020cm-3左右的载流子时，Si的折射率变化0.1左右(例如参照“F reecharge carrier induced refractive index modulation of crystalline Silico n”7thIEEE International Conference on Group IV Photonics，P102-104，1-3Sept.2010)。在采用该方法的情况下，作为图32A至图32C中的一对电极62的材料，可以使用p型半导体和n型半导体。或者，也可以由金属构成一对电极62，使电极62与光波导层20之间的层、或光波导层20本身包含p型或n型半导体。
关于利用电光学效应的方法，可以通过对包含电光学材料的光波导层20施加电场来实现。特别是，如果将KTN用作电光学材料，则能够获得大的电光学效应。KTN在比从正方晶向立方晶的相变温度稍高的温度下相对介电常数显著上升，因此能够利用该效应。例如根据“Low-Driving-Voltage Electro-Optic Modulator With Novel KTa1-xNbxO3Crystal Waveguides”Jp n.J.Appl.Phys.，Vol.43，No.8B(2004)，对于波长1.55μm的光得到电光学常数g＝4.8×10-15m2/V2。因此，当施加例如2kV/mm的电场时，折射率变化0.1(＝gn3E3/2)左右。这样，在利用电光学效应的结构中，各波导元件10中的光波导层20包含KTN等电光学材料。第1调整元件60通过对一对电极62施加电压来改变电光学材料的折射率。
在利用基于液晶的双折射效应的方法中，通过用电极62来驱动包含液晶材料的光波导层20，能够改变液晶的折射率各向异性。由此，能够调制对于在光波导层20中传播的光的折射率。液晶一般具有0.1～0.2左右的双折射率差，因此通过用电场来改变液晶的取向方向，得到与双折射率差同等的折射率变化。这样，在利用液晶的双折射效应的结构中，各波导元件10中的光波导层20包含液晶材料。第1调整元件60通过对一对电极62施加电压来改变液晶材料的折射率各向异性，改变光波导层20的折射率。
热光学效应是随着材料的温度变化而折射率发生变化的效应。为了进行基于热光学效应的驱动，也可以通过对包含热光学材料的光波导层20进行加热来调制折射率。
图33是表示将包括由具有高的电阻的材料构成的加热器68的调整元件60与波导元件10相组合的结构的例的图。加热器68可以配置于光波导层20的附近。通过接通电源66来通过包含导电性材料的布线64对加热器68施加电压，由此能够加热。也可以使加热器68与光波导层20接触。在本结构例中，各波导元件10中的光波导层20包含随着温度变化而折射率发生变化的热光学材料。第1调整元件60具有与光波导层20接触或配置于光波导层20的附近的加热器68。第1调整元件60通过利用加热器68对热光学材料进行加热，来改变光波导层20的折射率。
也可以用高电阻材料制作光波导层20本身，直接用一对电极62夹着光波导层20并施加电压，由此进行加热。在该情况下，第1调整元件60具有夹着光波导层20的一对电极62。第1调整元件60通过对一对电极62施加电压来对光波导层20中的热光学材料(例如高电阻材料)进行加热，由此改变光波导层20的折射率。
作为使用于加热器68或光波导层20的高电阻材料，能够使用半导体或电阻率大的金属材料。作为半导体，例如能够使用Si、GaAs或GaN等。另外，作为电阻率高的金属，可以使用铁、镍、铜、锰、铬、铝、银、金、铂或将这些多个材料相组合的合金等。例如，对于波长1500nm的光的、Si的折射率的温度依赖性dn/dT是1.87×10-4(K-1)(参照“Temperature-dependent refractive index of silicon and germanium，”Proc.SPIE 6273，Optomechani cal Technologies for Astronomy，62732J)。因而，当使温度变化500℃时，能够使折射率变化0.1左右。如果在光波导层20的附近设置加热器68并局部地进行加热，则即使是500℃这样的大的温度变化，也能够比较高速地进行。
基于载流子注入的折射率变化的响应速度是由载流子的寿命来决定的。一般来说，载流子寿命是纳秒(ns)级，因此得到100MHz～1GHz左右的响应速度。
在使用电光学材料的情况下，通过施加电场来诱发电子的极化，从而产生折射率变化。诱发极化的速度一般来说极为高速，在LiNbO3、LiTaO3等材料中，响应时间是飞秒(fs)级，因此能够实现超过1GHz的高速驱动。
在使用热光学材料的情况下，由温度升降的速度决定折射率变化的响应速度。通过局部地仅加热波导附近，得到急剧的温度上升。另外，当在局部地温度上升的状态下切断加热器时，通过向周边散热来能够急剧地降低温度。快时能够得到100KHz左右的响应速度。
在以上的例中，第1调整元件60通过使各光波导层20的折射率同时变化固定的值，来改变出射光的波矢量的X分量。在折射率调制中，其调制量依赖于材料的特性，为了得到大的调制量，需要施加高的电场或者使液晶取向。另一方面，从波导元件10出射的光的方向还依赖于反射镜30与反射镜40之间的距离。因而，也可以通过改变反射镜30与反射镜40之间的距离来改变光波导层20的厚度。下面，说明改变光波导层20的厚度的结构的例。
为了改变光波导层20的厚度，光波导层20可以由例如气体或液体等容易变形的材料构成。通过使夹着光波导层20的反射镜30和40的至少一方移动，能够改变光波导层20的厚度。此时，为了保持上下的反射镜30与反射镜40之间的平行度，可以采用使反射镜30或40的变形为最小限度的结构。
图34是表示用由容易变形的材料构成的支承构件70保持了反射镜30的结构例的图。支承构件70可以包括与反射镜30相比容易相对地变形的厚度薄的构件或细的架子。在该例中，第1调整元件具有与各波导元件10中的第1反射镜30连接的致动器。致动器通过改变第1反射镜30与第2反射镜40之间的距离，来改变光波导层20的厚度。此外，致动器可以与第1反射镜30和第2反射镜40的至少一方连接。作为对反射镜30进行驱动的致动器，例如能够使用利用静电力、电磁感应、压电材料、形状记忆合金或热的各种致动器。
在利用静电力的结构中，第1调整元件中的致动器使用通过静电力所产生的电极间的引力或斥力来使反射镜30和/或40移动。下面，说明这种结构的几个例。
图35是表示通过在电极间产生的静电力来使反射镜30和/或40移动的结构的一例的图。在该例中，在反射镜30与光波导层20之间以及反射镜40与光波导层20之间设置有具有透光性的电极62(例如透明电极)。配置于反射镜30的两侧的支承构件70各自的一端固定于反射镜30，另一端固定于未图示的壳体。通过对一对电极62施加正负的电压，产生引力，反射镜30与反射镜40之间的距离缩小。当停止电压的施加时，产生保持反射镜的支承构件70的恢复力，反射镜30与反射镜40之间的距离恢复为原来的长度。用于产生这种引力的电极62不需要设置于反射镜整面。该例中的致动器具有一对电极62，一对电极62中的一个电极62固定于第1反射镜30，一对电极62中的另一个电极62固定于第2反射镜40。致动器通过对一对电极62施加电压来使电极间产生静电力，改变第1反射镜30与第2反射镜40之间的距离。此外，对电极62的电压施加是由前述的第1驱动电路110(例如图29)来进行的。
图36是表示将用于产生引力的电极62配置于不妨碍光的传播的位置的结构例的图。在该例中，不需要使电极62透明。如图示那样，分别固定于反射镜30和40的电极62不需要是单个，也可以被分割。通过测量被分割的电极的一部分静电容量，测量反射镜30与反射镜40之间的距离，能够进行调整反射镜30与反射镜40的平行度等反馈控制。
也可以代替利用电极间的静电力，而利用使线圈内的磁性体产生引力或斥力的电磁感应来对反射镜30和/或40进行驱动。
在利用压电材料、形状记忆合金或基于热的变形的致动器中，利用由于从外部施加的能量而材料发生变形的现象。例如，作为代表性的压电材料的锆钛酸铅(PZT)通过向极化方向施加电场来伸缩。能够利用该压电材料来直接改变反射镜30与反射镜40之间的距离。但是，PZT的压电常数是100pm/V左右，因此即使施加例如1V/μm的电场，位移量也是微小到0.01％左右。因此，在使用这种压电材料的情况下，无法得到反射镜的足够的移动距离。因此，能够使用被称为单压电片或双压电片的结构来增加变化量。
图37是表示包含压电材料的压电元件72的例的图。箭头表示压电元件72的位移方向，该箭头的大小表示位移量。如图37所示，压电元件72的位移量依赖于材料的长度，因此面方向的位移量大于厚度方向的位移量。
图38A是表示使用图37所示的压电元件72的具有单压电片的构造的支承构件74a的结构例的图。该支承构件74a具有1层的压电元件72与1层的非压电元件71层叠而成的构造。通过将这种支承构件74a固定于反射镜30和40的至少一方并使其变形，能够改变反射镜30与反射镜40之间的距离。
图38B是表示通过对压电元件72施加电压来支承构件74a发生变形的状态的例的图。当对压电元件72施加电压时，只有压电元件72沿面方向伸长，因此支承构件74a整体弯曲。因此，与不存在非压电元件71的情况相比，能够增加位移量。
图39A是表示使用图37所示的压电元件72的具有双压电片的构造的支承构件74b的结构例的图。该支承构件74b具有2层的压电元件72与其间的1层的非压电元件71层叠而成的构造。通过将这种支承构件74b固定于反射镜30和40的至少一方并使其变形，能够改变反射镜30与反射镜40之间的距离。
图39B是表示通过对两侧的压电元件72施加电压来支承构件74a发生变形的状态的例的图。在双压电片中，在上下的压电元件72中位移方向相反。因此，在使用双压电片的结构的情况下，与单压电片的结构相比，能够进一步增加位移量。
图40是表示将图38A所示的支承构件74a配置于反射镜30的两侧的致动器的例的图。通过这种压电致动器来以使梁弯曲的方式使支承构件74a变形，能够改变反射镜30与反射镜40之间的距离。也可以代替图38A所示的支承构件74a而使用图39A所示的支承构件74b。
此外，单压电片型的致动器以圆弧状发生变形，因此如图41A所示，在未固定的一侧的顶端产生倾斜。因此，如果反射镜30的刚性低，则难以将反射镜30与反射镜40保持为平行。因此，也可以如图41B所示那样将伸缩的方向不同的两个单压电片型的支承构件74a串列地接在一起。在图41B的例中，在支承构件74a中，在伸缩的区域和伸展的区域中弯曲的方向相反。其结果，能够避免在未固定的一侧的顶端产生倾斜。通过使用这种支承构件74a，能够抑制反射镜30和40倾斜。
与上述同样地，还能够通过将热膨胀系数不同的材料贴在一起来实现弯曲变形的梁构造。并且，还能够用形状记忆合金实现梁构造。这些均可以利用于反射镜30与反射镜40之间的距离的调整。
另外，还能够将光波导层20设为密闭空间，用小型泵等来将内部的空气或液体取出或放入来改变光波导层20的体积，由此改变反射镜30与反射镜40之间的距离。
如上，第1调整元件中的致动器能够通过多种多样的构造来改变光波导层20的厚度。这种厚度的变化既可以针对多个波导元件10中的各个波导元件10个别地进行，也可以针对全部波导元件10一律地进行。特别是在多个波导元件10的构造全部相同的情况下，各波导元件10中的反射镜30与反射镜40之间的距离被控制为固定。因此，一个致动器能够对全部波导元件10一并进行驱动。
图42是表示用致动器对保持多个第1反射镜30的支承构件(即，辅助基板)52一并进行驱动的结构的例的图。在图42中，第2反射镜40是一个板状的反射镜。反射镜40如前述的实施方式那样也可以被分割为多个反射镜。支承构件52由具有透光性的材料构成，在两侧设置有单压电片型的压电致动器。
图43是表示多个波导元件10中的第1反射镜30是一个板状的反射镜的结构例的图。在该例中，第2反射镜40是按每个波导元件10被分割的。如图42和图43的例那样，各波导元件10中的反射镜30和40的至少一方也可以是一个板状的反射镜的部分。致动器也可以通过使该板状的反射镜移动来改变反射镜30与反射镜40之间的距离。
<用于相移的折射率调制>
接着，说明用于利用第2调整元件进行多个移相器80中的相位的调整的结构。关于多个移相器80中的相位的调整，可以通过改变移相器80中的波导20a的折射率来实现。关于该折射率的调整，能够利用与已经说明的对各波导元件10中的光波导层20的折射率进行调整的方法完全相同的方法来实现。例如，能够直接应用参照图32A至图33来说明的折射率调制的结构和方法。在与图32A至图33有关的说明中，将波导元件10改称为移相器80，将第1调整元件60改称为第2调整元件，将光波导层20改称为波导20a，将第1驱动电路110改称为第2驱动电路210。因此，省略关于移相器80中的折射率调制的详细的说明。
各移相器80中的波导20a包含根据电压的施加或温度变化而折射率发生变化的材料。第2调整元件通过对各移相器80中的波导20a施加电压、或者改变波导20a的温度，来改变波导20a内的折射率。由此，第2调整元件能够分别改变从多个移相器80向多个波导元件10传播的光的相位的差。
各移相器80可以构成为在直到光经过为止的期间能够进行至少2π的相移。在移相器80中的波导20a的每单位长度的折射率的变化量小的情况下，也可以使波导20a的长度大。例如，移相器80的大小可以是数百微米(μm)至数毫米(mm)，根据情况也可以是其以上。与此相对，各波导元件10的长度可以是例如数十μm至数十mm左右的值。
<用于同步驱动的结构>
在本实施方式中，第1调整元件以使从多个波导元件10出射的光的方向一致的方式对各波导元件10进行驱动。为了使从多个波导元件10出射的光的方向一致，例如对各波导元件10个别地设置驱动部，对这些驱动部进行同步驱动。
图44是表示从各个波导元件10的电极62共同地取出布线64的结构的例的图。图45是表示使一部分电极62和布线64共同化的结构的例的图。图46是表示对多个波导元件10配置了共同的电极62的结构的例的图。在图44～图46中，直线的箭头表示光的输入。通过设为如这些图所示的结构，能够使用于对波导阵列10A进行驱动的布线简单。
根据本实施方式的结构，能够以简单的器件结构来二维地扫描光。例如在对由N根波导元件10构成的波导阵列进行同步驱动的情况下，如果设置各自独立的驱动电路，则需要N个驱动电路。但是，如果能够设法如上所述那样将电极或布线共用，则能够用一个驱动电路来使其进行动作。
在波导阵列10A的前级设置了移相器阵列80A的情况下，为了使各个移相器80独立地动作，进一步需要N个驱动电路。但是，通过如图31的例那样将移相器80配置为级联状，用一个驱动电路也能够使其进行动作。即，在本公开的结构中，能够用2个至2N个驱动电路来实现二维地扫描光的动作。另外，也可以使波导阵列10A和移相器阵列80A分别独立地动作，因此能够使彼此的布线不相互干扰而容易地引出。
<制造方法>
能够通过半导体工艺、3D打印机、自组织、纳米压印等能够进行高精度的微细加工的工艺，来制造波导阵列、移相器阵列80A以及将它们连接的波导。通过这些工艺，能够在小的区域集成所需的要素。
特别是，如果利用半导体工艺，则具有加工精度极高且量产性也高的优点。在利用半导体工艺的情况下，能够在基板上通过蒸镀、溅射、CVD、涂布等来使各种材料成膜。并且，通过光刻和蚀刻工艺，能够进行微细加工。作为基板的材料，例如能够使用Si、SiO2、Al2O2、AlN、SiC、GaAs、GaN等。
<变形例>
接着，说明本实施方式的变形例。
图47是示意性地表示将配置移相器阵列80A的区域较大地确保且将波导阵列较小地集成的结构的例的图。根据这种结构，即使在构成移相器80的波导的材料中只发生小的折射率变化的情况下，也能够确保足够的相移量。另外，在用热来驱动移相器80的情况下，能够将间隔取得大，能够减小对相邻的移相器80带来的影响。
图48是表示两个移相器阵列80Aa和80Ab分别配置于波导阵列10A的两侧的结构例的图。在该例中，光扫描器件100在波导阵列10A的两侧具有两个光分支器90a和90b以及两个移相器阵列80Aa和80Ab。在图48中用点线表示的直线的箭头表示在光分支器90a及90b和移相器80a及80b中传播的光。移相器阵列80Aa和光分支器90a连接于波导阵列10A的一侧，移相器阵列80Ab和光分支器90b设置于波导阵列10A的另一侧。光扫描器件100还具备光开关92，该光开关92切换向光分支器90a的光的供给和向光分支器90b的光的供给。通过对光开关92进行切换，能够切换从图48中的左侧向波导阵列10A输入光的状态和从图48中的右侧向波导阵列10A输入光的状态。
根据本变形例的结构，具有能够扩大从波导阵列10A出射的光在X方向上的扫描范围的优点。在从单侧向波导阵列10A输入光的结构中，通过各波导元件10的驱动，能够使光的方向从正面方向(即，+Z方向)沿着+X方向和-X方向中的某个方向进行扫描。与此相对，在本变形例中，在从图48中的左侧的光分支器90a输入了光的情况下，能够从正面方向沿着+X方向扫描光。另一方面，在从右侧的光分支器90b输入了光的情况下，能够从正面方向向-X方向扫描光。也就是说，在图48的结构中，能够在从正面观察时的图48中的左右两个方向上扫描光。因此，与从单侧输入光的结构相比，能够使扫描的角度范围大。对于光开关92，从未图示的控制电路(例如微计算机单元)用电信号进行控制。根据本结构例，能够利用电信号来控制全部元件的驱动。
在以上的说明中，仅使用了波导元件10的排列方向与波导元件10延伸的方向正交的波导阵列。但是，这些方向不需要正交。例如，也可以使用如图49A所示的结构。图49A表示波导元件10的排列方向d1与波导元件10延伸的方向d2不正交的波导阵列的结构例。在该例中，各波导元件10的光出射面也可以不在同一平面内。通过这种结构，也能够通过适当地控制各波导元件10和各移相器来使光的出射方向d3二维地变化。
图49B表示波导元件10的排列间隔不固定的波导阵列的结构例。在采用这种结构的情况下，也能够通过适当地设定各移相器的相移量来进行二维扫描。在图49B的结构中也是，波导阵列的排列方向d1与各波导元件10延伸的方向d2也可以不正交。
<在基板上配置有第1波导和第2波导的实施方式>
接着，说明在基板上配置有第1波导和第2波导的光扫描器件的实施方式。
本实施方式中的光扫描器件具备第1波导、与第1波导连接的第2波导以及支承第1波导和第2波导的基板。更具体地说，光扫描器件具备在第1方向上排列的多个波导单元和支承这些多个波导单元的基板。多个波导单元各自具备第1波导和第2波导。第2波导与第1波导连接，向与第1方向交叉的第2方向传播光。基板支承各波导单元中的第1波导和第2波导。
第2波导相当于前述的实施方式中的反射型波导。即，第2波导具有：第1反射镜，具有多层反射膜；第2反射镜，具有与第1反射镜的所述多层反射膜对置的多层反射膜；以及光波导层，位于第1反射镜与第2反射镜之间，传播被输入到所述第1波导且在第1波导中传播的光。第1反射镜具有比第2反射镜高的光透过率，将在光波导层内传播的光的一部分出射到光波导层的外部。光扫描器件还具备调整元件，该调整元件通过改变第2波导中的光波导层的折射率和厚度的至少一方来改变从第2波导出射的光的方向。
根据本实施方式，通过在一个基板上配置第1波导和第2波导，第1波导1与第2波导10的对位变得容易。并且，因热膨胀引起的第1波导与第2波导的位置的偏移得以抑制。其结果，能够高效地从第1波导向第2波导导入光。
光波导层可以包含例如在被施加电压的情况下对于在光波导层中传播的光的折射率发生变化的材料。在该情况下，调整元件通过对光波导层施加电压来改变光波导层的折射率。由此，调整元件改变从第2波导出射的光的方向。
第1波导的至少一部分也可以具有作为前述的移相器的功能。在该情况下，在第1波导中例如组装对折射率进行调制的机构。光扫描器件也可以具备对第1波导的至少一部分区域的折射率进行调制的第2调整元件。第2调整元件例如可以是配置于第1波导的附近的加热器。能够利用从加热器发出的热来改变第1波导的至少一部分区域的折射率。由此，调整从第1波导向第2波导输入的光的相位。用于调整从第1波导向第2波导输入的光的相位的结构如前所述那样多种多样。可以采用它们中的任意的结构。
移相器也可以设置于第1波导的外部。在该情况下，第1波导位于外部的移相器与波导元件(第2波导)之间。移相器与第1波导之间也可以不存在明确的边界。例如，移相器与第1波导也可以共用波导和基板等结构要素。
第1波导既可以是利用光的全反射的一般的波导，也可以是反射型波导。相位被调制的光经过第1波导被导入到第2波导。
下面，更详细地说明在基板上配置有第1波导和第2波导的光扫描器件的实施方式。在以下的说明中，设光扫描器件具备多个波导单元。光扫描器件也可以具备单个波导单元。即，将第1波导与第2波导的组合仅具备1个的光扫描器件也包括在本公开的范围中。
图50A是示意性地表示本实施方式中的光扫描器件的图。该光扫描器件具备在Y方向上排列的多个波导单元和支承多个波导单元的基板50。各波导单元具备第1波导1和第2波导10。基板50支承各波导单元中的第1波导1和第2波导10。
基板50沿着XY平面扩展。基板50的上表面和下表面配置成与XY平面大致平行。例如可以使用玻璃、Si、SiO2、GaAs、GaN等材料来构成基板50。
第1波导阵列1A包括在Y方向上排列的多个第1波导1。第1波导1各自具有沿X方向延伸的构造。第2波导阵列10A包括在Y方向上排列的多个第2波导10。第2波导10各自具有沿X方向延伸的构造。
图50B是图50A中的用一个虚线表示的XZ平面上的光扫描器件的截面图。在基板50上配置有第1波导1和第2波导10。第2反射镜40在光波导层20与基板50之间以及第1波导1与基板50之间的区域扩展。第1波导1例如是利用光的全反射的一般的波导。该一般的波导例如包括Si或GaAs等半导体的波导。第2波导10具有光波导层20、第1反射镜30以及第2反射镜40。光波导层20位于对置的第1反射镜30与第2反射镜40之间。光波导层20传播被输入到第1波导且在第1波导1中传播的光。
本实施方式中的光波导层20包含在被施加电压的情况下对于在光波导层20中传播的光的折射率发生变化的材料。调整元件具有一对电极。一对电极包括下部电极62a和上部电极62b。下部电极62a配置于光波导层20与第2反射镜40之间。上部电极62b配置于光波导层20与第1反射镜30之间。本实施方式中的调整元件通过对一对电极62a、62b施加电压来改变光波导层20的折射率。由此，调整元件改变从第2波导10出射的光的方向。一对电极62a、62b各自既可以如图示那样与光波导层20接触，也可以不接触。
在图50B的结构例中，在具有层叠的基板50和第2反射镜40的共同的支承体上配置其它构造物。即，在成一体地形成的一个支承体上，制作第1波导1、第1电极62a、光波导层20、第2电极62b以及第1反射镜30的层叠体。由于使用共同的支承体，因此第1波导1和光波导层20的制作时的对位变得容易。并且，因热膨胀引起的第1波导1与光波导层20的连接部分的位置的偏移得以抑制。支承体例如是支承基板。
图50C是图50A中的用另一个虚线表示的YZ平面上的光扫描器件的截面图。在该例中，第2反射镜40是由多个第2波导10共用的。即，多个第2波导10中的第2反射镜40没有被相互分离。同样地，下部电极62a也是由多个第2波导10共用的。由此，制造工艺被简化。
另一方面，多个第2波导10中的光波导层20、上部电极62b以及第1反射镜30被相互分离地配置。由此，各光波导层20能够向X方向传播光。上部电极62b和第1反射镜30也可以不分离。
下面，说明本实施方式中的光扫描器件的变形例。在以下的变形例中，省略了重复的结构要素的说明。
图51A是表示在第2反射镜40与波导1之间配置有电介质层51的结构例的图。该例中的光扫描器件还具备在第2反射镜40与第1波导1之间扩展的电介质层51。该电介质层51作为使第1波导1与光波导层20的高度的水平一致的调整层发挥功能。下面，将电介质层51称为调整层51。通过调整Z方向上的调整层51的厚度，能够提高从第1波导1向光波导层20的光的耦合效率。并且，调整层51起到防止第1波导1中的导波光被第2反射镜40吸收、散射或反射的隔离物的作用。第1波导1通过全反射来传播光。因此，调整层51由具有比第1波导1的折射率低的折射率的透明材料构成。例如，可以利用SiO2等电介质材料来形成调整层51。
也可以在第1波导1上还配置其它电介质层来作为保护层。
图51B是表示在第1波导1上还配置有第2电介质层61的结构例的图。这样，光扫描器件也可以还具备覆盖第1波导1的至少一部分的第2电介质层61。第2电介质层61与第1波导1相接，由具有比第1波导1的折射率低的折射率的透明材料构成。第2电介质层61作为防止微颗粒或灰尘附着于第1波导1上的保护层发挥功能。由此，能够抑制第1波导1中的导波光的损耗。下面，将第2电介质层61称为保护层61。
图51B所示的第1波导1作为移相器发挥功能。光扫描器件还具备第2调整元件，该第2调整元件通过对第1波导1的折射率进行调制来改变被导入到光波导层20的光的相位。在第1波导1包含热光学材料的情况下，第2调整元件包括加热器68。第2调整元件利用从加热器68发出的热来对第1波导1的折射率进行调制。
加热器68所包含的金属等布线材料可能对光进行吸收、散射或反射。保护层61通过使第1波导1与加热器68远离，来抑制第1波导1中的导波光的损耗。
保护层61也可以由与调整层51相同的材料(例如SiO2)形成。保护层61也可以不仅覆盖第1波导1，还覆盖第2波导10的至少一部分。在该情况下，第1反射镜30的至少一部分被保护层61所覆盖。保护层61也可以仅覆盖第2波导10。如果保护层61是透明材料，则从第2波导10出射的光透过保护层61。因此，能够将光的损失抑制为小。
图52是表示第2反射镜40未配置于第1波导1与基板50之间的区域的结构例的图。该例中的调整层51在第1波导1与基板50之间扩展。调整层51与第1波导1及基板50相接。由于第2反射镜40不处于第1波导1之下，因此第1波导1中的导波光不受第2反射镜40的影响。
图53是表示与图51B的结构例相比第2反射镜40在第1波导1与基板50之间变薄的结构例的图。如该例那样，第2反射镜40也可以在第1波导1与基板50之间具有比第2波导10与基板50之间的第2反射镜40的厚度薄的部位。在第1波导1与第2反射镜40之间配置有调整层51。通过这种构造，第1波导1中的导波光不易受到第2反射镜40的影响。在图53的例中，与图52的例相比，在第1波导1与光波导层20的连接部位由于第2反射镜40而产生的高低差小。因而，加工更容易。
第2反射镜40的厚度也可以沿着波导1变化。下面，说明这种例。
图54A是表示第2反射镜40的厚度阶梯式地变化的结构例的图。在第1波导1与基板50之间，第2反射镜40的厚度沿着第1波导1变化。
在图54A的例中，在第1波导1的左的部分之下不存在第2反射镜40。第1波导1的左的部分处于比光波导层20低的位置。另一方面，在第1波导1的右的部分、即与光波导层20连接的部分之下存在第2反射镜40。第1波导1的右的部分位于与光波导层20相同程度的高度。通过调整保护层61的厚度，能够使保护层61的上表面平坦。
在图54A的结构例中，配置于保护层61上的加热器68充分远离第1波导1。因而，第1波导1中的导波光不易受到因加热器68的布线引起的影响。因此，第1波导1中的导波光的损耗得以抑制。
图54B是表示上部电极62b、第1反射镜30以及第2基板50C遍及第1波导1中的保护层61和第2波导10中的光波导层20上地配置的结构例的图。图54C是表示图54B的结构例的制造过程的一部分的图。
在图54B的例中，包括上部电极62b、第1反射镜30以及第2基板50C的构造体(以下称为“上部构造体”)与比上部电极62b靠下的构造体(以下称为“下部构造体”)是分开制造的。
关于下部构造体的制造，首先，在第1基板50上形成具有倾斜的第2反射镜40。在第2反射镜40中的包括倾斜的部分按顺序形成调整层51、波导1的层以及保护层61。在第2反射镜40中的平坦的部分形成下部电极62a和光波导层20。
上部构造体是在第2基板50C上将第1反射镜30和上部电极62b按该顺序层叠来制作的。使上部构造体如图54C所示那样上下翻转并粘贴到下部构造体之上。根据以上的制造方法，无需第1波导1与第2波导10的精密的对位。
保护层61的上表面、即与第1波导1相接的表面的相反侧的表面比第2波导10中的光波导层20的上表面低。第1波导1中的加热器68的上表面与第2波导10中的光波导层20的上表面是大致相同的高度。在该情况下，能够使上部构造体与下部构造体无高低差地贴在一起。也可以利用蒸镀或溅射等方法来形成上部构造体。
图55是表示具有图54B所示的构造的光扫描器件中的多个第2波导10的YZ面截面的图。在该例中，第1反射镜30、第2反射镜40以及电极62a、62b是由多个第2波导10共用的。在共同的电极62a、62b之间配置有多个光波导层20。多个光波导层20之间的区域是隔离物73。隔离物73例如是空气(或真空)、SiO2、TiO2、Ta2O5、SiN或AlN等透明材料。如果隔离物73是固体材料，则能够利用蒸镀或溅射等方法来形成上部构造体。隔离物73也可以与相邻的光波导层20的两方直接接触。
第1波导1不需要是利用光的全反射的一般的波导。例如，第1波导1也可以是与第2波导10同样的反射型波导。
图56是表示第1波导1和第2波导10是反射型波导的结构例的图。第1波导1被对置的两个多层反射膜3、40夹着。第1波导1基于与第2波导10相同的原理传播光。如果多层反射膜3的厚度足够大，则不从第1波导1出射光。
在图56的结构例中，如参照图20和图21等说明的那样，通过使两个反射型波导的连接条件最优化，能够提高光的耦合效率。通过这种最优化，能够高效地从第1波导1向第2波导10导入光。
接着，说明一对电极62a、62b的配置的变形例。在图50A～图56的例中，一对电极62a、62b与第2波导10中的光波导层20接触。在图50C和图55的例中，电极62a、62b的一方或两方也可以由多个第2波导10共用。电极62a、62b的结构不限定于这种结构。
图57是表示上部电极62b配置于第1反射镜30上、且下部电极62a配置于第2反射镜40下的结构例的图。第1反射镜30配置于上部电极62b与光波导层20之间。第2反射镜40配置于下部电极62a与光波导层20之间。如该例那样，一对电极62a、62b也可以隔着第1反射镜30和第2反射镜40间接地夹着光波导层20。
在图57的例中，下部电极62a延伸到第1波导1的一侧。为了从下部电极62a取出布线，能够使用第1波导10之下的空间。因此，布线的设计自由度增加。
在该例中，一对电极62a、62b不与光波导层20接触。光波导层20中的导波光不易受到因一对电极62a、62b引起的吸收、散射或反射等影响。因此，光波导层20中的导波光的损耗得以抑制。
图58是表示又一其它变形例的截面图。在该例中，第1波导1被分离为第1部分1a和第2部分1b。第1部分1a处于相对低的位置，与第2波导10分离。第2部分1b处于相对高的位置，与第2波导10的光波导层20连接。在从+Z方向观察时，第1部分1a和第2部分1b具有重叠的部分。第1部分1a及第2部分1b与X方向大致平行地延伸。在该例中，调整层51也被分离为两个部分51a、51b。调整层的第1部分51a配置于第1波导的第1部分1a与下部电极62a之间。调整层的第2部分51b配置于第1波导的第2部分1b与第2反射镜40之间。保护层61配置于第1波导的第1部分1a和第2部分1b上。第1波导的第1部分1a的一部分与第1波导的第2部分1b的一部分隔着保护层61对置。电极62a、62b的配置与图57中的配置同样。
在图58所示的结构中，第1波导的第1部分1a与第2部分1b的间隔、即Z方向上的距离为波导内的光的波长以下。在该情况下，通过倏逝波耦合，能够从第1部分1a向第2部分1b传播光。在该例中，与图54A的例不同地，不需要使第2反射镜40的厚度沿着第1波导1a、1b变化。
图59是表示电极62配置于相邻的两个光波导层20之间的结构例的图。该例中的调整元件具有多个电极62，对这些电极62交替地施加正负(在图中用+和-显示)的电压。由此，能够在各光波导层20的内部产生图59中的左右方向的电场。
在图59的例中，在Y方向上相邻的两个电极62与其间的光波导层20的至少一部分接触。光波导层20与电极62的接触区域的面积小。因而，即使电极62是对光进行吸收、散射或反射的材料，也能够抑制光波导层20中的导波光的损耗。
在图50A～图59的结构例中，使用于扫描的光通过第1反射镜30被出射。使用于扫描的光也可以通过第2反射镜40被出射。
图60是表示第1反射镜30厚、且第2反射镜40薄的结构的例的图。在图60的例中，光透过第2反射镜40而从基板50一侧出射。该例中的基板50由具有透光性的材料构成。通过将从基板50出射的光使用于扫描，光扫描器件的设计自由度增加。
<与反射镜的宽度有关的研究>
图61是示意性地表示本实施方式中的将多个波导元件10在Y方向上排列而成的波导阵列10A的结构例的、YZ平面上的光扫描器件的截面图。在图61的结构例中，在Y方向上，第1反射镜30的宽度比光波导层20的宽度长。第2反射镜40是由多个波导元件10共用的。换言之，各波导元件10中的第2反射镜40是一个连续的反射镜的一部分。第1反射镜30具有从光波导层20的端面向Y方向突出的部分。将在Y方向上的该突出的部分的尺寸设为y1。将Y方向上的、与光波导层20的端面相距的距离设为y。y＝0相当于光波导层20的端面。
当导波光在光波导层20内沿X方向传播时，在Y方向上，从光波导层20渗出倏逝光。Y方向上的该倏逝光的光强度I用以下的式表示。
[数17]
其中，在将来自光波导层20的倏逝光的光强度成为光波导层20的端面处的来自光波导层20的倏逝光的光强度的1/e的位置与光波导层20的端面相距的Y方向上的距离设为yd时，yd满足以下的式。
[数18]
I0是y＝0时的、该倏逝光的光强度。全反射角θin如图11所示。在y＝yd时，该倏逝光的光强度I成为I0的1/e。e是自然对数的底。
为了简单，如图11所示，将光波导层20内的导波光近似为光线。如图61的结构例所示，在第1反射镜30在y>y1处不存在的情况下，y＝0时的导波光的因1次反射引起的光的泄漏或光损耗(Lloss)用以下的式表示。
[数19]
如式(4)所示，为了使来自波导元件10的出射光的扩展角θdiv成为0.1°以下，期望的是波导元件10的X方向上的传播长度L为1mm以上。此时，当将Y方向上的光波导层20的宽度设为a时，在图11中，±Y方向上的全反射的次数为1000/(a·tanθin)以上。在a＝1μm和θin＝45°时，全反射的次数为1000次以上。当使用表示1次反射中的光损耗的式(25)时，β次的反射中的光损耗用以下的式表示。
[数20]
图62是表示在β＝1000的情况下的、光损耗(L(β) loss)的比例与y1的关系的图。纵轴是光损耗的比例，横轴是y1。如图62所示，为了使光损耗的比例成为50％以下，例如满足y1≥7yd。同样地，为了使光损耗的比例成为10％以下，例如满足y1≥9yd。为了使光损耗的比例成为1％以下，例如满足y1≥11yd。
如式(25)所示，在原理上，通过使y1变大，能够降低光损耗。但是，光损耗不是零。
图63是示意性地表示本实施方式中的将波导元件10在Y方向上排列而成的波导阵列10A的其它结构例的、YZ平面上的光扫描器件的截面图。在图63的结构例中，第1反射镜30和第2反射镜40是由多个波导元件10共用的。换言之，各波导元件10中的第1反射镜30是一个连续的反射镜的一部分，各波导元件10中的第2反射镜40是一个连续的其它反射镜的一部分。由此，在原理上能够使光损耗最小化。如果各波导元件10中的第1反射镜30是一个连续的反射镜的一部分，则在原理上能够使从第1反射镜30产生的光损耗最小化。如果各波导元件10中的第2反射镜40是一个连续的反射镜的一部分，则在原理上能够使从第1反射镜40产生的光损耗最小化。
接着，使用数值计算对图10与图63的结构例中的来自光波导层20的倏逝光的泄漏进行比较。
图64A是表示图10的结构例中的、电场强度分布的计算结果的图。图64B是表示图63的结构例中的、电场强度分布的计算结果的图。数值计算中使用Synopsys公司的FemSim。在图64A和图64B中，Y方向上的光波导层20的宽度是1.5μm，Z方向上的光波导层20的厚度是1μm，光的波长是1.55μm，nw＝1.68，nlow＝1.44。nw和nlow的该组合例如相当于将光波导层20中包含的液晶材料通过SiO2的隔离物73封入的情况。
如图64A所示，可知在图10的结构例中从不存在第1反射镜30的区域泄漏倏逝光。另一方面，如图64B所示，在图63的结构例中，可以忽视这种倏逝光的泄漏。在图64A和图64B中，在导波光沿X方向传播时，由于从第1反射镜30的光出射和倏逝光的泄漏，导波光的光强度减少。当计算该导波光的光强度成为1/e的、X方向上的光的传播长度时，该光的传播长度在图64A和图64B中分别是7.8μm和132μm。
在本实施方式中，隔离物73也可以由2个以上的不同的介质构成。
图65是示意性地表示在本实施方式中隔离物73包括具有不同的折射率的隔离物73a、73b的结构例的、YZ平面上的光扫描器件的截面图。在图65的结构例中，与光波导层20相邻的隔离物73a的折射率nlow1高于不与光波导层20不相邻的隔离物73b的折射率nlow2(nlow1>nlow2)。例如在光波导层20包含液晶材料的情况下，为了封入液晶材料，也可以将SiO2用作隔离物73a。隔离物73b也可以是空气。如果隔离物73b的折射率nlow2低，则能够抑制从光波导层20的倏逝光的渗出。
图66是示意性地表示本实施方式的变形例中的波导元件10的结构例的、YZ平面上的光扫描器件的截面图。在图66的结构例中，光波导层20在YZ平面上具有梯形的截面。第1反射镜30不仅配置于光波导层20的上边上，还配置于左右的边上。由此，能够抑制从光波导层20的左右的边的光的泄漏。
接着，说明光波导层20和隔离物73的材料。
在图61、图63以及图65的结构例中，光波导层20的折射率nw与隔离物73的折射率nlow满足nw>nlow的关系。即，隔离物73包含折射率比光波导层20低的材料。例如在光波导层20包含电光学材料的情况下，隔离物73也可以包含SiO2、TiO2、Ta2O5、SiN、AlN或空气等透明材料。在光波导层20包含液晶材料的情况下，隔离物73也可以包含SiO2或空气等。通过用一对电极夹着光波导层20并施加电压，能够改变包含电光学材料或液晶材料的光波导层20的折射率。由此，能够改变从第1反射镜30出射的光的出射角度。在光波导层20包含液晶材料或电光学材料的情况下的光扫描器件的详细的驱动方法等如前所述。
电光学材料也可以包含以下的任意的化合物。
·KDP(KH2PO4)型晶体···例如KDP、ADP(NH4H2PO4)、KDA(KH2AsO4)、RDA(RbH2PO4)或ADA(NH4H2AsO4)/立方晶系材料···例如KTN、BaTiO3、SrTiO3Pb3MgNb2O9、GaAs、CdTe或InAs/正方晶系材料···例如LiNbO3或LiTaO3
·闪锌矿型材料···例如ZnS、ZnSe、ZnTe、GaAs或CuCl
·钨青铜型材料···KLiNbO3、SrBaNb2O6、KSrNbO、BaNaNbO、Ca2Nb2O7
液晶材料例如可以是向列液晶。向列液晶的分子结构如下。
R1-Ph1-R2-Ph2-R3
在此，R1表示从由氨基、羰基、羧基、氰基、胺基、硝基、腈基以及烷基链构成的组中选择的任一个。R3表示从由氨基、羰基、羧基、氰基、胺基、硝基、腈基以及烷基链构成的组中选择的任一个。Ph1表示苯基或联苯基等芳香族基。Ph2表示苯基或联苯基等芳香族基。R2表示从由乙烯基、羰基、羧基、重氮基以及氧化偶氮基构成的组中的选择的任一个。
液晶不限定于向列液晶。例如也可以使用近晶液晶。液晶也可以是近晶液晶中的例如近晶C相(SmC相)。近晶液晶也可以是近晶C相(SmC相)中的例如在液晶分子内具有手性中心(例如不对称碳)且是铁电性液晶的手征近晶相(SmC*相)。
SmC*相的分子结构如下表示。
[化1]
R1、R4是从由氨基、羰基、羧基、氰基、胺基、硝基、腈基以及烷基链构成的组中选择的任一个。Ph1是苯基或联苯基等芳香族基。Ph2是苯基或联苯基等芳香族基。R2是从由乙烯基、羰基、羧基、重氮基以及氧化偶氮基构成的组中选择的任一个。Ch*表示手性中心。手性中心典型的是碳(C*)。R3是从由氢、甲基、氨基、羰基、羧基、氰基、胺基、硝基、腈基以及烷基链构成的组中选择的任一个。R5是从由氢、甲基、氨基、羰基、羧基、氰基、胺基、硝基、腈基以及烷基链构成的组中选择的任一个。R3、R4以及R5是互不相同的官能团。
液晶材料也可以是组成不同的多个液晶分子的混合物。例如，也可以将向列液晶分子与近晶液晶分子的混合物用作光波导层20的材料。
也可以通过将第1反射镜30与其以外的结构贴在一起来形成图63和图65的结构例。由此，制造变得容易。另外，如果隔离物73是固体材料，则也可以利用蒸镀或溅射等方法形成第1反射镜30。
在图61、图63以及图65的结构例中，以由多个波导元件10共用第2反射镜40为前提说明了第1反射镜30的结构。当然，上述的讨论也能够应用于第2反射镜40。即，在Y方向上，如果第1反射镜30和第2反射镜40的至少一方的宽度比光波导层20的宽度长，则能够抑制从光波导层20的倏逝光的泄漏。其结果，使用于光扫描的光量的降低得以抑制。
<应用例>
图67是表示在电路基板(例如芯片)上集成了光分支器90、波导阵列10A、移相器阵列80A以及光源130等元件的光扫描器件100的结构例的图。光源130例如可以是半导体激光器等发光元件。该例中的光源130出射自由空间中的波长为λ的单一波长的光。光分支器90将来自光源130的光分支后导入到多个移相器中的波导。在图67的结构例中，在芯片上设置有电极62a和多个电极62b。对波导阵列10A，从电极62a提供控制信号。对于移相器阵列80A中的多个移相器80，从多个电极62b分别发送控制信号。电极62a、62b可以与生成上述的控制信号的未图示的控制电路连接。控制电路既可以设置于图67所示的芯片上，也可以设置于光扫描器件100中的其它芯片。
如图67所示，通过将全部组件集成在芯片上，能够用小型的器件实现广范围的光扫描。例如能够将图67所示的全部组件集成在2mm×1mm左右的芯片。
图68是表示从光扫描器件100向远方照射激光等光束来执行二维扫描的情形的示意图。二维扫描是通过使光束点310在水平和垂直方向上移动来执行的。例如，通过与公知的TOF(Time Of Flight：飞行时间)法进行组合，能够获取二维的测距图像。TOF法是通过照射激光并观测来自对象物的反射光来计算光的飞行时间并求出距离的方法。
图69是表示作为能够生成这种测距图像的光检测系统的一例的LiDAR系统300的结构例的框图。LiDAR系统300具备光扫描器件100、光检测器400、信号处理电路600以及控制电路500。光检测器400检测从光扫描器件100出射并从对象物反射的光。光检测器400例如可以是对从光扫描器件100出射的光的波长λ具有灵敏度的图像传感器、或包括光电二极管等受光元件的光检测仪。光检测器400输出与接收到的光的量相应的电信号。信号处理电路600基于从光检测器400输出的电信号计算到对象物为止的距离，生成距离分布数据。距离分布数据是表示距离的二维分布的数据(即，测距图像)。控制电路500是对光扫描器件100、光检测器400以及信号处理电路600进行控制的处理器。控制电路500对来自光扫描器件100的光束的照射的时机和光检测器400的曝光和信号读出的时机进行控制，对信号处理电路600指示测距图像的生成。
在二维扫描中，作为获取测距图像的帧频，例如能够从一般在视频中常用的60fps、50fps、30fps、25fps、24fps等中进行选择。另外，当考虑对车载系统的应用时，帧频越大则获取测距图像的频度越高，能够高精度地探测障碍物。例如在60km/h下行驶时，在60fps的帧频下每当车移动约28cm就能够获取一次图像。在120fps的帧频下，每当车移动约14cm就能够获取一次图像。在180fps的帧频下，每当车移动约9.3cm就能够获取一次图像。
为了获取一个测距图像所需的时间依赖于光束扫描的速度。例如，为了以60fps获取析像点数为100×100的图像，需要针对1点以1.67μs以下进行光束扫描。在该情况下，控制电路500以600kHz的动作速度进行利用光扫描器件100的光束的出射以及利用光检测器400的信号蓄积/读出。
<对光接收器件的应用例>
本公开中的光扫描器件能够以大致相同的结构来还用作光接收器件。光接收器件具备与光扫描器件相同的波导阵列10A以及对能够接收的光的方向进行调整的第1调整元件60。波导阵列10A通过多个波导元件10来接收从第3方向入射的光。更具体地说，波导阵列10A的各第1反射镜30使从第3方向入射到第1反射面的相反侧的光向波导阵列10A的各光波导层20透过。波导阵列10A的各光波导层20传播所接收到的光、即向第2方向透过了第1反射镜30的光。通过由第1调整元件60改变各波导元件10中的所述光波导层20的折射率和厚度的至少一方，能够改变作为能够接收的光的方向的第3方向。并且，在光接收器件具备与光扫描器件相同的多个移相器80、或80a和80b以及分别改变从多个波导元件10穿过多个移相器80、或80a和80b来输出的光的相位的差的第2调整元件的情况下，能够使能够接收的光的方向二维地变化。
例如能够构成将图67所示的光扫描器件100中的光源130置换为接收电路的光接收器件。当波长λ的光入射到波导阵列10A时，该光通过移相器阵列80A被送到光分支器90，最终集中在一个部位后被送到接收电路。可以说，集中在该一个部位的光的强度表示光接收器件的灵敏度。对于光接收器件的灵敏度，能够利用分别组装在波导阵列和移相器阵列80A中的调整元件来进行调整。在光接收器件中，例如在图26中的波矢量(图中的粗箭头)的方向变得相反。入射光具有波导元件10延伸的方向(图中的X方向)的光分量和波导元件10的排列方向(图中的Y方向)的光分量。对于X方向的光分量的灵敏度，能够利用组装在波导阵列10A中的调整元件来进行调整。另一方面，对于波导元件10的排列方向的光分量的灵敏度，能够利用组装在移相器阵列80A中调整元件来进行调整。根据光接收器件的灵敏度最大时的光的相位差Δφ、光波导层20的折射率nw和厚度d，可知θ和α0(式(16)和式(17))。因此，能够确定光的入射方向。
能够将上述的实施方式和变形例适当进行组合。例如，也可以代替其它实施例或变形例的第1反射镜30而使用图61所示的第1反射镜30。另外，也可以代替其它实施例或变形例的波导元件10而使用图65所示的波导元件10。
(光扫描系统的实施方式)
接着，说明具备如上所述的光扫描器件和受光器件的光扫描系统的实施方式。
本实施方式中的光扫描系统具备光扫描器件和受光器件。光扫描器件是能够改变出射光的方向的发光器件。
光扫描器件具备第1波导阵列和第1调整元件。第1波导阵列包括一边传播光一边向与传播方向交叉的方向出射光的多个第1波导。第1调整元件通过调整在多个第1波导各自中传播的光的相位，来改变发光方向。
受光器件具备第2波导阵列和第2调整元件。第2波导阵列包括多个第2波导，该多个第2波导配置于从光扫描器件出射并被对象物反射的光所入射的位置，传播所接收到的光并输出。第2调整元件通过对在多个第2波导各自中传播的光赋予相移，来改变受光方向。
光扫描器件中的多个第1波导的排列间隔与受光器件中的多个第2波导的排列间隔不同。
根据本实施方式，能够以比较简单的结构来进行利用光的一维扫描或二维扫描并且获取对象区域的信息。例如，能够获取对象区域的距离图像数据。
图74是示意性地表示本实施方式中的光扫描系统300的结构例的图。光扫描系统300具备光扫描器件100、受光器件200、滤波器250以及控制电路500。光扫描系统300可以还具备例如图69所示的信号处理电路600等结构要素，但是在图74中进行了省略。
光扫描器件100具备能够改变出射光的方向的波导阵列10A和未图示的调整元件。光扫描器件100中的波导阵列10A包括传播被输入的光并出射的多个波导。将光扫描器件100的表面中的配置有波导阵列10A的部分称为“发光面”。
受光器件200具备接收光的波导阵列20A和未图示的调整元件。受光器件200中的波导阵列20A配置于从光扫描器件出射并被对象物150反射的光所入射的位置。受光器件200中的波导阵列20A包括传播所接收到的光并输出的多个波导。将受光器件200的表面中的配置有波导阵列20A的部分称为“受光面”。
波导阵列10A、20A各自既可以具备与前述的任一个例中的波导元件阵列同样的结构，也可以具备不同的结构。例如，波导阵列10A、20A各自也可以如后所述那样是在表面具有光栅的电介质波导的阵列。
滤波器250配置于从光扫描器件100出射并由受光器件200接收的光的路径上。滤波器250例如可以配置于覆盖波导阵列10A、20A这两方的位置。滤波器250也可以仅覆盖受光侧的波导阵列20A。滤波器250选择性地使包含在从光扫描器件100出射的光的波长范围中的特定的波长范围的光透过。由此，能够降低干扰光的影响。在图74中，用点线表示干扰光。不包含在上述特定的波长范围的波长的干扰光被滤波器250反射。
控制电路500连接于光扫描器件100和受光器件200。控制电路500对光扫描器件100和受光器件200同步地进行控制。通过使从光扫描器件100进行的光的出射与受光器件200中的对来自对象物的反射光的受光同步，能够掌握向哪个方向出射的光作为反射光返回来。另外，能够随着出射方向的变化而改变受光方向使得受光灵敏度最大。具体地说，控制电路500借助光扫描器件100中的调整元件来改变波导阵列10A中的各波导的光学特性。由此，控制电路500改变来自光扫描器件100的光的出射方向。另一方面，控制电路500借助受光器件200中的调整元件来改变波导阵列20A中的各波导的光学特性。由此，控制电路500改变能够由受光器件200接收的光的方向(以下称为“受光方向”)。“受光方向”是指，在对从波导阵列20A中的多个波导输出的光进行了合成的情况下该合成光增强时的光的入射方向。
在图74所示的例中，光扫描器件100中的波导阵列10A与受光器件200中的波导阵列20A接近地配置。例如，光扫描器件100中的发光面的中心与受光器件200中的受光面的中心之间的距离为20mm以下。在这样两者接近的情况下，控制电路500容易使从光扫描器件100出射的光的出射角度与由受光器件200接收的光的入射角度实质上一致。如果来自光扫描器件的出射光的出射角度与受光器件中的反射光的入射角度实质上一致，则能够容易获知从光扫描器件到对象物的方向。在光扫描器件100中的波导阵列10A与受光器件200中的波导阵列20A的位置远离的情况下，控制电路500需要将从光扫描器件100出射的光的出射角度和由受光器件200接收的光的入射角度设定为不同的值。
例如，光扫描器件100的波导阵列10A中的多个波导各自的光出射面(出射光被出射的一侧的面)也可以处于实质上同一个虚拟的第1平面内。即，在第1平面内包括波导阵列10A的多个波导所具有的多个光出射面。另外，受光器件200的波导阵列20A中的多个波导各自的光入射面(反射光所入射的一侧的面)也可以处于实质上同一个虚拟的第2平面内。即，在第2平面内包括波导阵列20A的多个波导所具有的多个光入射面。在该情况在下，在第1平面内包围波导阵列10A的多个波导的最小的虚拟的四边形的中心与在第2虚拟平面内包围波导阵列20A的多个波导的最小的虚拟的四边形的中心之间的距离也可以是20mm以下。
参照图75来说明可以说从光扫描器件100出射的光的出射角度与由受光器件接收的光的入射角度“实质上一致”的条件。
图75是表示光扫描器件100中的波导阵列10A和受光器件200中的波导阵列20A的配置例的图。在图75中，省略了滤波器250和控制电路500的图示。
设对象物150位于相对于光扫描器件100中的波导阵列10A的中心向与波导阵列10A的发光面垂直的方向远离的位置。将波导阵列10A与对象物150之间的距离设为R1，将波导阵列10A的中心与受光器件200中的波导阵列20A的中心之间的距离设为X。波导阵列10A的中心与发光面的中心一致。波导阵列20A的中心与受光面的中心一致。此时，由受光器件200接收的光的入射角度θ2满足tanθ2＝X/R1。如果入射角度θ2小于受光器件200的受光的扩展角度Δα2的一半，则受光器件200能够接收被对象物150反射的光。用与式(20)同样的式表示受光的扩展角度Δα2。例如在扩展角度Δα2为2°时，将X设定为R1×tan(Δα2/2)≒0.02R1以下。例如在R1为1m的情况下，将X设定为20mm以下。如果X为20mm以下，则受光器件200中的波导阵列20A能够无问题地接收来自从发光器件100中的波导阵列10A远离1m以上的对象物150的反射光。
这样，在本说明书中，从光扫描器件100出射的光的出射角度与由受光器件接收的光的入射角度“实质上一致”是指，从光扫描器件100出射的光的出射角度与由受光器件接收的光的入射角度之差小于受光器件200能够接收的光的扩展角度Δα2的一半。
在从光扫描器件100出射的光中例如叠加测距用的调制信号。控制电路500对光扫描器件100和受光器件200同步地进行控制。控制电路500改变来自光扫描器件100的光的出射方向，与其变化同步地控制受光器件200的受光方向。控制电路500或信号处理电路600(参照图69)通过从叠加在反射光中的调制信号得到距离信息，来能够得到测距图像。
接着，说明波导阵列10A、20A中的高阶衍射光的影响。
图76是表示可能从光扫描器件100中的波导阵列10A和受光器件200中的波导阵列20A出射的衍射光的例的图。从波导阵列10A不仅出射0阶光，还出射±1阶衍射光等高阶的衍射光。波导阵列20A是用于接收的，但是如果假定使波导阵列20中的各波导传播了光，则如在图76中用虚线箭头所示，出射0阶光和±1阶衍射光等高阶衍射光。波导阵列20能够以足够高的灵敏度来仅接收从在图76中用虚线箭头表示的方位到来的光。
将波导阵列10A中的多个波导的排列间隔设为p1，将波路阵列20A中的多个波导的排列间隔设为p2。在p1＝p2的情况下，受光用的波导阵列20A不仅接收从发光用的波导阵列10A出射的0阶衍射光，还同时接收高阶衍射光。通过将p1和p2设为不同的值，能够降低高阶衍射光的受光。即，也可以使光扫描器件100中的多个波导的排列间隔与受光器件200中的多个波导的排列间隔不同。
与式(21)同样地用下述的式表示m阶衍射光(m是整数)的出射角度。
[数21]
sinαm＝sinα0+mλ/p (27)
在p1与p2不同的情况下，从光扫描器件100出射的高阶衍射光的出射角度与由受光器件200接收的高阶衍射光的入射角度不一致。因此，当从光扫描器件100出射的0阶衍射光被受光器件200接收时，能够抑制因高阶衍射光的受光引起的干扰。
接着，说明波导阵列10A、20A的发光面和受光面的大小不同的例。
图77是用于说明光扫描器件100中的波导阵列10A的发光面和受光器件200中的波导阵列20A的受光面的大小的例的图。在图77所示的例中，受光器件200的受光面大于光扫描器件100的发光面。也就是说，配置有波导阵列20A的区域的面积大于配置有波导阵列10A的区域的面积。在该情况下，受光器件200能够接收更多的反射光，因此受光器件200的受光灵敏度变高。
例如，光扫描器件100的波导阵列10A中的多个波导各自的光出射面(出射光被出射的一侧的面)也可以处于实质上同一个虚拟的第1平面内。即，在第1平面内包括波导阵列10A的多个波导所具有的多个光出射面。另外，受光器件200的波导阵列20A中的多个波导各自的光入射面(反射光所入射的一侧的面)也可以处于实质上同一个虚拟的第2平面内。即，在第2平面内包括波导阵列20A的多个波导所具有的多个光入射面。在该情况下，在第2平面内包围波导阵列20A的多个波导的最小的四边形的面积大于在第1平面内包围波导阵列10A的多个波导的最小的四边形的面积。
接着，说明波导阵列10A、20A的更详细的结构。波导阵列10A、20A中的各波导也可以具有图2等所示的反射型波导的构造，但也可以具有以下的构造。例如，波导阵列10A、20A的至少一方也可以具有以下说明的相控阵的结构。
图78是表示可以使用于波导阵列10A、20A的至少一方的一维相控阵的结构例的图。作为一例，说明波导阵列10A具有一维相控阵的结构的情况。
该例中的光扫描器件100具有包括多个波导的波导阵列10A和对在各波导中传播的光的相位进行调整的调整元件。多个波导在Y方向上排列，各波导使光沿X方向传播。该例中的各波导是具有光栅的电介质波导。波导阵列10A向与XY平面交叉的方向出射光。调整元件通过对在多个波导中传播的光适当地赋予相移，来改变从波导阵列10A出射的光的方向。
在由均匀介质构成的电介质波导中，光通过全反射，不泄漏到外部而传播。另一方面，在具有光栅的电介质波导中，由于起因于光栅的衍射，在电介质波导内传播的光的至少一部分被出射到外部。由此，决定从波导阵列10A出射的光的波矢量的、X方向的分量。
在图78的结构例中，调整元件通过对在波导阵列10中的各波导中传播的光的相位进行调整，来改变从波导阵列10A出射的光的波矢量的、Y方向的分量(图中的方向102)。由此，能够实现利用光扫描器件100的一维扫描。并且，在对波导阵列10中的各波导的折射率进行调制的情况下，还能够改变从波导阵列10A出射的光的波矢量的、X方向的分量(图中的方向101)。由此，能够实现利用光扫描器件100的二维扫描。各波导的折射率调制和相移的具体方法如前所述。
图79表示可以使用于波导阵列10A、20A的至少一方的二维相控阵的结构例的图。作为一例，说明光扫描器件100具有二维相控阵的结构的情况。
该例中的光扫描器件100具有包括二维地排列的多个波导的波导阵列10A和对在各波导中传播的光的相位进行调整的调整元件。波导阵列10A在X方向和Y方向上二维地排列。各波导使光沿X方向传播。波导阵列10A向与XY平面交叉的方向出射光。调整元件改变从波导阵列10A出射的光的方向。在该例中也是各波导是具有光栅的电介质波导。
与图78中的一维相控阵相比，在图79中的二维相控阵中，各波导的X方向的长度短。具有光栅的多个电介质波导二维地排列。调整元件通过对在波导阵列10A中的各波导中传播的光的相位进行调整、即相移，能够改变从波导阵列10A出射的光的波矢量的、X方向的分量和Y方向的分量这两方(图中的方向101、102)。由此，能够实现利用光扫描器件100的二维扫描。
还能够对受光器件200应用图78所示的一维相控阵的结构。在该情况下，受光器件200中的多个电介质波导在Y方向上排列，使接收到的光向+X方向或-X方向传播。
还能够对受光器件200应用图79所示的二维相控阵的结构。在该情况下，受光器件200中的多个电介质波导在X方向和Y方向上二维地排列，使接收到的光向+X方向或-X方向传播。
受光器件200中的波导阵列20A的排列间隔也可以大于光扫描器件100中的波导阵列10A的所述排列间隔。由此，微细加工的条件得以缓和，波导阵列20A的制作比较容易。
另外，受光器件200中的波导阵列20A所包含的各波导的排列方向上的宽度不需要与光扫描器件100中的波导阵列10A所包含的各波导的排列方向上的宽度相同，也可以不同。
例如在增大了受光器件200中的波导阵列20A的排列间隔的情况下，也可以使波导阵列20A所包含的各波导的宽度变大。由此，微细加工的条件得以缓和，各波导层的制作变得比较容易。但是，如果相邻的波导之间的距离过小，则在各个波导内传播的光相互干扰而有可能导致传播的光的相位紊乱。因此，也可以以避免相邻的波导之间的距离过近的方式调整各波导的宽度。
接着，说明从受光器件200的波导阵列20A输出的光的检测方法的例。
图80是表示在电路基板上集成了对光进行合成的合波器190、波导阵列20A、移相器阵列80A以及光检测器230等元件的受光器件200的结构例的图。在图80中的受光器件200与图67中的光扫描器件100中，很多结构是共通的。该例中的受光器件200具备光检测器230。光检测器230经由合波器190连接于波导阵列20A中的多个波导。光检测器230对合成了从该多个波导输出的光而得到的光进行检测。在图80的结构例中，还能够使用如图像传感器那样具有多个光检测器的传感器，但是能够使用单个光检测器230。也可以将来自多个波导的合成光经由例如光纤等其它波导引导到光检测器230。
在来自光扫描器件100的出射光的波长处于400nm至1000nm的范围的情况下，例如能够使用包含硅(Si)的光电二极管等光检测器230。在出射光的波长处于900nm至1700nm的范围的情况下，例如能够使用包含砷化镓(GaAs)的光电二极管等光检测器230。
在本实施方式中，光扫描器件100具备前述的反射型波导或如图78或图79所例示的那样的电介质波导的构造。但是，光扫描器件100不限定于这种结构。例如，也可以是图81所示的结构。
图81是示意性地表示光扫描器件100的其它结构例的图。图81中的光扫描器件100具有激光器等光源130和至少一个可动反射镜。可动反射镜例如是MEMS反射镜。从光源130出射的光被可动反射镜反射而朝向对象区域内的规定的区域。控制电路500通过对可动反射镜进行驱动来改变来自光扫描器件100的出射光的方向。由此，能够用光来扫描对象区域。
产业上的可利用性
本公开的实施方式中的光扫描器件和光接收器件能够利用于搭载于例如汽车、UAV、AGV等车辆的LiDAR系统等的用途。

Claims (27)

1.一种光扫描系统，具备光扫描器件和受光器件，
所述光扫描器件具备：
第1波导阵列，包括多个第1波导，该第1波导通过传播光，来将所述光作为出射光向与传播方向交叉的方向出射；以及
第1调整元件，通过对在所述多个第1波导各自中传播的所述光的相位进行调整，来改变来自所述多个第1波导的所述出射光的出射方向，
所述受光器件具备：
第2波导阵列，包括多个第2波导，该第2波导配置于在来自所述多个第1波导的所述出射光被对象物反射的情况下反射光所入射的位置，接收所述反射光来作为传播光传播；以及
第2调整元件，通过对在所述多个第2波导各自中传播的所述传播光的相位进行调整，来改变所述多个第2波导对所述反射光的受光方向，
所述光扫描器件中的所述多个第1波导的排列间隔与所述受光器件中的所述多个第2波导的排列间隔不同。
2.根据权利要求1所述的光扫描系统，其中，
还具备控制电路，该控制电路对所述光扫描器件和所述受光器件同步地进行控制，
所述控制电路控制所述第1调整元件来改变所述出射方向，控制所述第2调整元件来改变所述受光方向。
3.根据权利要求2所述的光扫描系统，其中，
所述控制电路使从所述多个第1波导出射的所述出射光的出射角度与由所述多个第2波导接收的所述反射光的入射角度实质上一致。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的光扫描系统，其中，
还具备光检测器，该光检测器连接于所述多个第2波导，检测来自所述多个第2波导的所述传播光的合成光。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的光扫描系统，其中，
所述受光器件中的所述多个第2波导的所述排列间隔大于所述光扫描器件中的所述多个第1波导的所述排列间隔。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的光扫描系统，其中，
所述受光器件中的所述多个第2波导各自的排列方向上的宽度大于所述光扫描器件中的所述多个第1波导各自的排列方向上的宽度。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的光扫描系统，其中，
在所述光扫描器件中，所述多个第1波导各自具有位于所述出射光所出射的一侧的光出射面，
所述多个第1波导各自的所述光出射面实质上位于同一个虚拟的第1平面内，
在所述受光器件中，所述多个第2波导各自具有位于所述反射光所入射的一侧的光入射面，
所述多个第2波导各自的所述光入射面实质上位于同一个虚拟的第2平面内，
在所述第1平面内包围所述多个第1波导的最小的虚拟的四边形的中心与在所述第2平面内包围所述多个第2波导的最小的虚拟的四边形的中心之间的距离为20mm以下。
8.根据权利要求1至6中的任一项所述的光扫描系统，其中，
在所述光扫描器件中，所述多个第1波导各自具有位于所述出射光所出射的一侧的光出射面，
所述多个第1波导各自的所述光出射面实质上位于同一个虚拟的第1平面内，
所述受光器件中，所述多个第2波导各自具有位于所述反射光所入射的一侧的光入射面，
所述多个第2波导各自的所述光入射面实质上位于同一个虚拟的第2平面内，
在所述第2平面内包围所述多个第2波导的最小的虚拟的四边形的面积大于在所述第1平面内包围所述多个第1波导的最小的虚拟的四边形的面积。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的光扫描系统，其中，
还具备滤波器，该滤波器配置于从所述光扫描器件的所述多个第1波导出射的所述出射光作为所述反射光由所述受光器件的所述多个第2波导接收的光路径上，使包含在所述出射光的波长范围中的特定的波长范围的光选择性地透过。
10.根据权利要求9所述的光扫描系统，其中，
所述滤波器覆盖所述第1波导阵列和所述第2波导阵列这两方。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的光扫描系统，其中，
所述多个第1波导在第1方向上排列，
所述多个第1波导各自中的所述光的所述传播方向是与所述第1方向交叉的第2方向，
所述出射光的所述出射方向是与平行于所述第1方向及所述第2方向的虚拟平面交叉的第3方向，
所述多个第1波导各自是具有光栅的电介质波导。
12.根据权利要求1至10中的任一项所述的光扫描系统，其中，
所述多个第1波导在第1方向和第2方向上二维地排列，
所述多个第1波导各自中的所述光的所述传播方向是所述第2方向，
所述出射光的所述出射方向是与平行于所述第1方向及所述第2方向的虚拟平面交叉的第3方向，
所述多个第1波导各自是具有光栅的电介质波导。
13.根据权利要求1至10中的任一项所述的光扫描系统，其中，
所述多个第1波导在第1方向上排列，
所述多个第1波导各自中的所述光的所述传播方向是与所述第1方向交叉的第2方向，
所述出射光的所述出射方向是与平行于所述第1方向及所述第2方向的虚拟平面交叉的第3方向，
所述多个第1波导各自具备：
第1反射镜，具有与所述第3方向交叉的反射面，沿所述第2方向延伸；
第2反射镜，具有与所述第1反射镜的所述反射面对置的反射面，沿所述第2方向延伸；以及
光波导层，位于所述第1反射镜与所述第2反射镜之间，传播所述光，
所述第1反射镜具有比所述第2反射镜高的光透过率，所述光透过该第1反射镜来作为所述出射光出射，
所述第1调整元件通过改变所述多个第1波导各自中的所述光波导层的折射率和厚度中的至少一方，来进行所述光的所述相位调整。
14.根据权利要求13所述的光扫描系统，其中，
所述第1调整元件还通过对在所述多个第1波导各自中传播的所述光赋予相移，来改变从所述多个第1波导出射的光的方向。
15.根据权利要求1至14中的任一项所述的光扫描系统，其中，
所述多个第2波导在第1方向上排列，
所述多个第2波导各自中的所述传播光的传播方向是与所述第1方向交叉的第2方向，
所述多个第2波导各自是具有光栅的电介质波导。
16.根据权利要求1至14中的任一项所述的光扫描系统，其中，
所述多个第2波导在第1方向和第2方向上二维地排列，
所述多个第2波导各自中的所述传播光的传播方向是所述第2方向，
所述多个第2波导各自是具有光栅的电介质波导。
17.根据权利要求1至14中的任一项所述的光扫描系统，其中，
所述多个第2波导在第1方向上排列，
所述多个第2波导各自中的所述传播光的传播方向是与所述第1方向交叉的第2方向，
所述反射光的所述受光方向是与平行于所述第1方向及所述第2方向的虚拟平面交叉的第3方向，
所述多个第2波导各自具备：
第1反射镜，具有与所述第3方向交叉的反射面，沿所述第2方向延伸；
第2反射镜，具有与所述第1反射镜的所述反射面对置的反射面，沿所述第2方向延伸；以及
光波导层，位于所述第1反射镜与所述第2反射镜之间，传播所述传播光，
所述第2调整元件通过改变所述多个第2波导各自中的所述光波导层的折射率和厚度中的至少一方，来进行所述传播光的所述相位调整。
18.根据权利要求13或14所述的光扫描系统，其中，
在所述多个第1波导各自中，所述第1反射镜的所述第1方向的宽度和/或所述第2反射镜的所述第1方向的宽度比所述光波导层的所述第1方向的宽度长。
19.根据权利要求18所述的光扫描系统，其中，
所述光扫描器件还具备一体地构成的第3反射镜，
所述多个第1波导各自的所述第1反射镜是所述第3反射镜的一部分。
20.根据权利要求18或19所述的光扫描系统，其中，
所述光扫描器件还具备一体地构成的第4反射镜，
所述多个第1波导各自的所述第2反射镜是所述第4反射镜的一部分。
21.根据权利要求18至20中的任一项所述的光扫描系统，其中，
所述光扫描器件还具备折射率比所述光波导层低的材料，该材料配置于所述多个第1波导中的相邻的两个第1波导的所述光波导层之间。
22.根据权利要求21所述的光扫描系统，其中，
所述材料与所述相邻的两个第1波导的所述光波导层直接接触。
23.根据权利要求17所述的光扫描系统，其中，
在所述多个第2波导各自中，所述第1反射镜的所述第1方向的宽度和/或所述第2反射镜的所述第1方向的宽度比所述光波导层的所述第1方向的宽度长。
24.根据权利要求23所述的光扫描系统，其中，
所述受光器件还具备一体地构成的第3反射镜，
所述多个第2波导各自的所述第1反射镜是所述第3反射镜的一部分。
25.根据权利要求23或24所述的光扫描系统，其中，
所述受光器件还具备一体地构成的第4反射镜，
所述多个第2波导各自的所述第2反射镜是所述第4反射镜的一部分。
26.根据权利要求23至25中的任一项所述的光扫描系统，其中，
所述受光器件还具备折射率比所述光波导层低的材料，该材料配置于所述多个第2波导中的相邻的两个第2波导的所述光波导层之间。
27.根据权利要求26所述的光扫描系统，其中，
所述材料与所述相邻的两个第2波导的所述光波导层直接接触。
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