CN113474721A - 光设备 - Google Patents

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Abstract

光设备具备：第1波导，沿第1方向延伸；以及第2波导，与上述第1波导连接；上述第2波导具备：第1镜，具有第1反射面；第2镜，具有与上述第1反射面对置的第2反射面；以及上述第1镜与上述第2镜之间的光波导层，在内部包含包括上述第1波导的前端部的部分；上述第1波导及上述第2波导中的至少一方在当从与上述第1反射面垂直的方向观察的情况下上述第1镜、上述第2镜及上述第1波导重叠的连接区域的一部分具有1个以上的光栅；上述1个以上的光栅从上述连接区域中的上述第1镜或上述第2镜的端部在上述第1方向上离开了比上述第1镜的厚度及上述第2镜的厚度的至少一方长的距离。

Description

光设备
技术领域
本发明涉及光设备。
背景技术
以往，提出了能够用光来扫描(scan)空间的各种设备。
专利文献1公开了能够使用使镜旋转的驱动装置进行通过光的扫描的结构。
专利文献2公开了具有二维排列的多个纳米光子天线元件的光相控阵列。各个天线元件与可变光延迟线(即移相器)光学上耦合。在该光相控阵列中，相干光束通过波导被引导至各个天线元件，通过移相器，光束的相位发生移位。由此，能够使远场辐射图的振幅分布变化。
专利文献3公开了一种光偏转元件，具备：光波导，具有光在内部导波的光波导层和形成于光波导层的上表面及下表面的第1分布布拉格镜；光入射口，用来使光入射至光波导内；以及光射出口，为了射出从光入射口入射并在光波导内导波的光而形成于光波导的表面。
专利文献4公开了一种光扫描设备，具备通过全反射使光传播的第1波导和使光在2个多层反射膜之间传播的第2波导。第1波导及第2波导被连接。
现有技术文献
专利文献
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
专利文献4：国际公开第2018/061514号
发明内容
发明要解决的课题
本发明的目的是提供一种能够以比较简单的结构实现波导间的光耦合的新的光设备。
用来解决课题的手段
有关本发明的一技术方案的光设备具备：第1波导，沿第1方向延伸；以及第2波导，与上述第1波导连接；上述第2波导具备：第1镜，具有第1反射面；第2镜，具有与上述第1反射面对置的第2反射面；以及上述第1镜与上述第2镜之间的光波导层，在内部包含包括上述第1波导的前端部的部分。上述第1波导及上述第2波导中的至少一方，在当从与上述第1反射面垂直的方向观察的情况下上述第1镜、上述第2镜及上述第1波导重叠的连接区域的一部分具有1个以上的光栅。上述1个以上的光栅从上述连接区域中的上述第1镜或上述第2镜的端部在上述第1方向上离开了比上述第1镜的厚度及上述第2镜的厚度的至少一方长的距离。
本发明的包含性或具体的形态也可以通过设备、系统、方法或它们的任意的组合实现。
发明效果
根据本发明的一技术方案，能够以比较简单的结构实现波导间的光耦合。
附图说明
图1是示意地表示光扫描设备的例子的立体图。
图2是示意地表示一个波导元件的截面的构造及传播的光的例子的图。
图3A是表示向与波导阵列的射出面垂直的方向射出光的波导阵列的截面的图。
图3B是表示向与垂直于波导阵列的射出面的方向不同的方向射出光的波导阵列的截面的图。
图4是示意地表示三维空间中的波导阵列的例子的立体图。
图5是从光射出面的法线方向(Z方向)观察波导阵列及移相器阵列的示意图。
图6是示意地表示第1镜的端部的形状通过加工而变化的光设备的例子的图。
图7是表示光波导层的厚度的变化与来自第1镜的射出光的扩散角的关系的图。
图8A是示意地表示本发明的例示性的实施方式的光设备的图。
图8B是从Z方向观察图8A所示的全反射波导及慢光波导的连接的示意图。
图9是示意地表示从界面到光栅的距离更长的光设备的例子的图。
图10A是示意地表示图8A所示的光设备的第1变形例的图。
图10B是示意地表示图8A所示的光设备的第2变形例的图。
图10C是示意地表示图8A所示的光设备的第3变形例的图。
图11A是示意地表示图8A所示的光设备的第4变形例的图。
图11B是示意地表示图8A所示的光设备的第5变形例的图。
图12是表示在电路基板上集成了分光器、波导阵列、移相器阵列及光源等元件的光扫描设备的结构例的图。
图13是表示从光扫描设备向远方照射激光等的光束而执行二维扫描的状况的示意图。
图14是表示能够生成测距图像的LiDAR系统的结构例的框图。
具体实施方式
在本说明书中，“折射率、厚度及波长中的至少一个”是指从由光波导层的折射率、光波导层的厚度及向光波导层输入的波长构成的组中选择的至少一个。为了使光的射出方向变化，可以单独地控制折射率、厚度及波长中的任一个。或者，也可以控制这3个中的任意的两个或全部而使光的射出方向变化。也可以代替折射率或厚度的控制或除此以外，对向光波导层输入的光的波长进行控制。
以上的基本原理不仅能够应用于射出光的用途，也同样能够应用于接收光信号的用途。通过使折射率、厚度及波长中的至少一个变化，能够使可接收的光的方向一维地变化。进而，如果由分别与沿一方向排列的多个波导元件连接的多个移相器使光的相位差变化，则能够使可接收的光的方向二维地变化。
本发明的光扫描设备及光接收设备能够作为例如LiDAR(Light Detection andRanging)系统等光检测系统的天线使用。LiDAR系统与使用毫米波等的电波的雷达系统相比，由于使用短波长的电磁波(可视光、红外线或紫外线)，所以能够以较高的解析力检测物体的距离分布。这样的LiDAR系统例如搭载于汽车、UAV(Unmanned Aerial Vehicle，所谓无人机)、AGV(Automated Guided Vehicle)等移动体，能够作为防碰撞技术之一使用。在本说明书中，有将光扫描设备和光接收设备统称为“光设备”的情况。此外，关于在光扫描设备或光接收设备中使用的设备，也有称作“光设备”的情况。
<光扫描设备的结构例>
以下，作为一例而说明进行二维扫描的光扫描设备的结构。但是，有将所需以上详细的说明省略的情况。例如，有省略已经周知的事项的详细说明及对于实质上相同的结构的重复说明的情况。这是为了避免以下的说明不必要地变得冗长、使本领域技术人员的理解变得容易。另外，发明者们为了使本领域技术人员充分地理解本发明而提供附图及以下的说明，并不是要由它们来限定权利要求书所记载的主题。在以下的说明中，对于相同或类似的构成要素赋予相同的标号。
在本发明中，“光”是指不仅包括可视光(波长是约400nm～约700nm)，还包括紫外线(波长是约10nm～约400nm)及红外线(波长是约700nm～约1mm)的电磁波。在本说明书中，有将紫外线称作“紫外光”、将红外线称作“红外光”的情况。
在本发明中，基于光的“扫描”是指使光的方向变化。“一维扫描”是指使光的方向沿着与该方向交叉的方向而直线性地变化。“二维扫描”是指使光的方向沿着与该方向交叉的平面而二维地变化。
图1是示意地表示实施方式的光扫描设备100的例子的立体图。光扫描设备100具备包括多个波导元件10的波导阵列。多个波导元件10分别具有在第1方向(图1中的X方向)上延伸的形状。多个波导元件10在与第1方向交叉的第2方向(图1中的Y方向)上规则地排列。多个波导元件10一边使光在第1方向上传播，一边使光向与平行于第1及第2方向的假想的平面交叉的第3方向D3射出。在本发明中，第1方向(X方向)与第2方向(Y方向)正交，但两者也可以不正交。在本发明中，多个波导元件10在Y方向以等间隔排列，但并不一定需要以等间隔排列。
另外，在本申请的附图中表示的构造物的朝向是考虑说明的容易理解而设定的，完全不是限制实施时的朝向。此外，在图中表示的构造物的整体或一部分的形状及大小也不限制现实的形状及大小。
多个波导元件10分别具有相互对置的第1镜30及第2镜40(以下，有将各自简单称作“镜”的情况)和位于镜30与镜40之间的光波导层20。镜30及镜40分别在与光波导层20的界面具有与第3方向D3交叉的反射面。镜30及镜40、以及光波导层20具有沿第1方向(X方向)延伸的形状。
另外，如后述那样，多个波导元件10的多个第1镜30也可以是一体地构成的镜的多个部分。此外，多个波导元件10的多个第2镜40也可以是一体地构成的镜的多个部分。进而，多个波导元件10的多个光波导层20也可以是一体地构成的光波导层的多个部分。通过至少(1)各第1镜30与其他第1镜30分开构成，或(2)各第2镜40与其他第2镜40分开构成，或(3)各光波导层20与其他光波导层20分开构成，能够形成多个波导。“分开构成”不仅包括在物理上设置空间，还包括中间夹着折射率不同的材料而分离。
第1镜30的反射面和第2镜40的反射面大致平行地对置。两个镜30及镜40中，至少第1镜30具有使在光波导层20中传播的光的一部分透射的特性。换言之，第1镜30对于该光，具有比第2镜40高的光透射率。因此，在光波导层20中传播的光的一部分从第1镜30向外部射出。这样的镜30及40例如可以是由基于电介质的多层膜(也有称作“多层反射膜”的情况)形成的多层膜镜。
通过控制向各个波导元件10输入的光的相位，进而使这些波导元件10的光波导层20的折射率或厚度、或者向光波导层20输入的光的波长同步地同时变化，能够实现基于光的二维扫描。
本发明的发明人们为了实现这样的二维扫描，对波导元件10的动作原理进行了分析。基于其结果，通过将多个波导元件10同步驱动，成功地实现了基于光的二维扫描。
如图1所示，如果向各波导元件10输入光，则光从各波导元件10的射出面射出。射出面位于第1镜30的反射面的相反一侧。该射出光的方向D3依赖于光波导层的折射率、厚度及光的波长。在本发明中，将各光波导层的折射率、厚度及波长中的至少一个同步地控制，以使从各波导元件10射出的光大致成为相同的方向。由此，能够使从多个波导元件10射出的光的波数矢量的X方向的分量变化。换言之，能够使射出光的方向D3沿着图1所示的方向101变化。
进而，由于从多个波导元件10射出的光朝向相同的方向，所以射出光相互干涉。通过控制从各个波导元件10射出的光的相位，能够使通过干涉而光相互加强的方向变化。例如，在相同尺寸的多个波导元件10在Y方向上以等间隔排列的情况下，对于多个波导元件10，输入使相位各相差一定量的光。通过使该相位差变化，能够使射出光的波数矢量的Y方向的分量变化。换言之，通过使向多个波导元件10导入的光的相位差分别变化，能够使通过干涉而射出光相互加强的方向D3沿着图1所示的方向102变化。由此，能够实现基于光的二维扫描。
以下，说明光扫描设备100的动作原理。
<波导元件的动作原理>
图2是示意地表示一个波导元件10的截面的构造及传播的光的例子的图。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，示意地表示波导元件10的与XZ面平行的截面。在波导元件10中，一对镜30和镜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22一边被设置于光波导层20的上表面(图2中的上侧的表面)的第1镜30及设置于下表面(图2中的下侧的表面)的第2镜40反复反射，一边在光波导层20内传播。第1镜30的光透射率比第2镜40的光透射率高。因此，能够主要从第1镜30输出光的一部分。
在通常的光纤等波导中，光一边反复全反射一边沿着波导传播。相对于此，在本发明的波导元件10中，光一边通过配置在光波导层20的上下的镜30及40反复反射一边传播。因此，对于光的传播角度没有制约。这里，光的传播角度是指向镜30或镜40与光波导层20的界面的入射角度。对于镜30或镜40以更接近于垂直的角度入射的光也能够传播。即，以比全反射的临界角小的角度向界面入射的光也能够传播。因此，光的传播方向上的光的群速度与自由空间中的光速相比大幅下降。由此，波导元件10具有以下性质：相对于光的波长、光波导层20的厚度及光波导层20的折射率的变化，光的传播条件大幅变化。波导元件10还被称作“反射型波导”或“慢光波导”。
从波导元件10向空气中射出的光的射出角度θ由以下的式(1)表示。
[数式1]
Figure BDA0003230721930000071
根据式(1)可知，通过改变空气中的光的波长λ、光波导层20的折射率nw及光波导层20的厚度d中的任一个，能够改变光的射出方向。
例如，在nw＝2，d＝387nm，λ＝1550nm，m＝1的情况下，射出角度是0°。如果从该状态使折射率变化为nw＝2.2，则射出角度变化为约66°。另一方面，如果不改变折射率而使厚度变化为d＝420nm，则射出角度变化为约51°。如果折射率及厚度都不变化而使波长变化为λ＝1500nm，则射出角度变化为约30°。这样，通过使光的波长λ、光波导层20的折射率nw及光波导层20的厚度d中的某一个变化，能够使光的射出方向大幅变化。
所以，本发明的光扫描设备100中，通过控制向光波导层20输入的光的波长λ、光波导层20的折射率nw及光波导层20的厚度d中的至少一个，来控制光的射出方向。光的波长λ也可以在动作中不变化而维持为一定。在此情况下，能够以更简单的结构实现光的扫描。波长λ没有被特别限定。例如，波长λ可以包含于能由通常的通过用硅(Si)吸收光来检测光的光检测器或图像传感器得到高检测灵敏度的400nm至1100nm(从可视光到近红外光)的波长域中。在另一例中，波长λ可以包含于在光纤或Si波导中传送损失比较小的1260nm至1625nm的近红外光的波长域中。另外，这些波长范围是一例。所使用的光的波长域并不限定于可视光或红外光的波长域，例如也可以是紫外光的波长域。
为了使射出光的方向变化，光扫描设备100可以具备使各波导元件10中的光波导层20的折射率、厚度及波长中的至少一个变化的第1调整元件。
如以上这样，如果使用波导元件10，则通过使光波导层20的折射率nw、厚度d及波长λ中的至少一个变化，能够大幅改变光的射出方向。由此，能够使从镜30射出的光的射出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，能够实现这样的一维扫描。
为了调整光波导层20的至少一部分的折射率，光波导层20也可以包含液晶材料或电光学材料。光波导层20能够被一对电极夹着。通过向一对电极施加电压，能够使光波导层20的折射率变化。
为了调整光波导层20的厚度，例如也可以在第1镜30及第2镜40的至少一方连接至少一个致动器。通过由至少一个致动器使第1镜30与第2镜40之间的距离变化，能够使光波导层20的厚度变化。如果光波导层20由液体形成，则光波导层20的厚度能够容易地变化。
<二维扫描的动作原理>
在多个波导元件10在一方向上排列而成的波导阵列中，通过从各个波导元件10射出的光的干涉，光的射出方向变化。通过调整向各波导元件10供给的光的相位，能够使光的射出方向变化。以下，说明其原理。
图3A是表示向与波导阵列的射出面垂直的方向射出光的波导阵列的截面的图。在图3A中，也记载了在各波导元件10中传播的光的移相量。这里，移相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。本发明的波导阵列包括以等间隔排列的多个波导元件10。在图3A中，虚线的圆弧表示从各波导元件10射出的光的波面。直线表示通过光的干涉而形成的波面。箭头表示从波导阵列射出的光的方向(即，波数矢量的方向)。在图3A所示的例子中，在各波导元件10中的光波导层20中传播的光的相位都相同。在此情况下，光向与波导元件10的排列方向(Y方向)及光波导层20所延伸的方向(X方向)两者垂直的方向(Z方向)射出。
图3B是表示向与垂直于波导阵列的射出面的方向不同的方向射出光的波导阵列的截面的图。在图3B所示的例子中，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一定量(Δφ)。在此情况下，光向与Z方向不同的方向射出。通过使该Δφ变化，能够使光的波数矢量的Y方向的分量变化。如果设相邻的两个波导元件10之间的中心间距离为p，则光的射出角度α0由以下的式(2)表示。
[数式2]
Figure BDA0003230721930000091
在图2所示的例子中，光的射出方向与XZ平面平行。即，α0＝0°。在图3A及图3B所示的例子中，从光扫描设备100射出的光的方向与YZ平面平行。即，θ＝0°。但是，通常从光扫描设备100射出的光的方向既不与XZ平面平行也不与YZ平面平行。即，θ≠0°及α0≠0°。
图4是示意地表示三维空间中的波导阵列的例子的立体图。图4所示的粗箭头表示从光扫描设备100射出的光的方向。θ是光的射出方向与YZ平面所成的角度。θ满足式(1)。α0是光的射出方向与XZ平面所成的角度。α0满足式(2)。
<向波导阵列导入的光的相位控制>
为了控制从各个波导元件10射出的光的相位，例如可以在向波导元件10导入光的前段设置使光的相位变化的移相器。本发明的光扫描设备100具备与多个波导元件10各自连接的多个移相器、和调整在各移相器中传播的光的相位的第2调整元件。各移相器包括与多个波导元件10中的对应的一个中的光波导层20直接或经由其他波导相连的波导。第2调整元件通过使从多个移相器向多个波导元件10传播的光的相位的差分别变化，使从多个波导元件10射出的光的方向(即，第3方向D3)变化。在以下的说明中，与波导阵列同样，有将排列的多个移相器称作“移相器阵列”的情况。
图5是从光射出面的法线方向(Z方向)观察波导阵列10A及移相器阵列80A的示意图。在图5所示的例子中，全部的移相器80具有相同的传播特性，全部的波导元件10具有相同的传播特性。各个移相器80及各个波导元件10也可以是相同的长度，长度也可以不同。在各个移相器80的长度相等的情况下，例如，可以通过驱动电压来调整各自的移相量。此外，通过做成使各个移相器80的长度以等步长变化的构造，能够以相同的驱动电压赋予等步长的移相。进而，该光扫描设备100还具备将光分支而向多个移相器80供给的分光器90、驱动各波导元件10的第1驱动电路110和驱动各移相器80的第2驱动电路210。图5所示的直线箭头表示光的输入。通过将分别设置的第1驱动电路110和第2驱动电路210分别独立地控制，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通过使各波导元件10中的光波导层20的折射率及厚度的至少一方变化，使从光波导层20射出的光的角度变化。第2驱动电路210通过使各移相器80中的光波导20a的折射率变化，使在光波导20a的内部传播的光的相位变化。分光器90既可以由光通过全反射而传播的波导构成，也可以由与波导元件10同样的反射型波导构成。
另外，也可以在对由分光器90分支的各个光的相位进行控制后，将各个光导入至移相器80。在该相位控制中，例如可以使用通过调整到移相器80为止的波导的长度来实现的简单的相位控制构造。或者，也可以使用具有与移相器80同样的功能的能够通过电信号进行控制的移相器。通过这样的方法，例如也可以在被导入至移相器80之前调整相位，以向全部的移相器80供给等相位的光。通过这样的调整，能够使第2驱动电路210对各移相器80的控制变得简单。
具有与上述的光扫描设备100同样的结构的光设备也能够作为光接收设备利用。关于光设备的动作原理及动作方法等的详细情况，在美国专利申请公开第2018/0224709号中公开。在本说明书中引用该文献的全部公开内容。
<全反射波导及慢光波导的连接>
接着，说明通过将全反射波导及慢光波导连接而从全反射波导向慢光波导输入光的例子。
图6是示意地表示连接了全反射波导1及慢光波导10的光设备的例子的剖视图。在本说明书中，有时将全反射波导1称作“第1波导1”，将慢光波导10称作“第2波导10”。暂且不考虑第1镜30的端部30e的形状而说明图6所示的光设备。
在全反射波导1中，至少前端部具有在X方向上延伸的构造。慢光波导10与全反射波导1连接。慢光波导10中的光波导层20在内部包含包括全反射波导1的前端部的部分。光波导层20的折射率比全反射波导1的折射率低。当从Z方向观察时，在全反射波导1及慢光波导10重叠的连接区域111中，全反射波导1具备沿着X方向而折射率以周期p变化的光栅15。连接区域111也可以说是当从Z方向观察时第1镜30、第2镜40及全反射波导1重叠的区域。图6所示的光栅15具有在X方向上排列的4个凹部。实际上，可以在光栅15设置更多个凹部。也可以代替凹部而设置凸部。光栅15的在X方向上排列的凹部或凸部的个数例如优选的是4个以上。此外，凹部或凸部的个数可以是4个以上且64个以下。在一例中，凹部或凸部的个数可以是8个以上且32个以下。在一例中，凹部或凸部的个数可以是8个以上且16个以下。凹部或凸部的个数可以根据各凹部或凸部的衍射效率来调整。各凹部或凸部的衍射效率取决于其深度或、以及宽度等的尺寸条件。因而，根据各凹部或凸部的尺寸来调节它们的个数，以便作为光栅15整体能得到良好的特性。
全反射波导1在连接区域111中具有与第1镜30的反射面对置的第1表面1s1及与第2镜40的反射面对置的第2表面1s2。在图6所示的例子中，光栅15设置于全反射波导1的第1表面1s1。光栅15也可以设置于第2表面1s2。光栅15可以设置于全反射波导1的第1表面1s1及第2表面1s2的至少一方。
光栅15并不限于设置于全反射波导1和慢光波导10的界面，也可以设置于其他位置。此外，也可以设置多个光栅。在从与第1镜30的反射面垂直的方向观察时全反射波导1及慢光波导10重叠的连接区域111中，全反射波导1及慢光波导10的至少一部分可以包括至少1个光栅。各光栅的折射率沿着全反射波导1及慢光波导10延伸的X方向而周期性地变化。
全反射波导1中，位于光波导层20的外部的部分既可以被其他的电介质层支承，也可以被2个电介质层夹着。
连接区域111的长度例如可以是3μm至50μm左右。在这样的大小的连接区域111的内部，可以形成8周期至32周期左右的光栅15。非连接区域112的长度例如可以是100μm至5mm左右。连接区域111的长度例如可以是非连接区域112的长度的几百分之一至几十分之一左右。但是，并不限定于该长度，可根据需要的特性来决定各部件的尺寸。
在连接区域111中，第1镜30也可以不具有比第2镜40高的透射率。在慢光波导10中的连接区域111以外的非连接区域112中，也在距连接区域111近的区域中，第1镜30也可以不具有比第2镜40高的透射率。连接区域111是为了提高光的耦合效率而设置的。因此，在连接区域111的附近，慢光波导10并不需要一定射出光。
设全反射波导1的波导模的传播常数为β1＝2πne1/λ，设慢光波导10的波导模的传播常数为β2＝2πne2/λ。λ是空气中的光的波长。ne1及ne2分别是全反射波导1及慢光波导10中的有效折射率(也称作等价折射率)。在全反射波导1内传播的光不与外部的空气耦合。这样的波导模的有效折射率是ne1>1。另一方面，在慢光波导10的光波导层20中传播的光的一部分被向外部的空气射出。这样的波导模的有效折射率是0<ne2<1。因而，β1和β2大为不同。因此，通常从全反射波导1向慢光波导10的波导光的耦合效率较低。
在连接区域111中，在全反射波导1具备光栅15的情况下，发生由光栅15引起的衍射。在此情况下，全反射波导1的波导模的传播常数β1移位互易点阵2π/p的整数倍。例如在通过－1次衍射而β1移位为β1－(2π/p)的情况下，只要适当地设定p，就能够使得β1－(2π/p)＝β2成立。在此情况下，由于连接区域111的2个传播常数一致，所以波导光从全反射波导1向慢光波导10以高效率耦合。根据β1－(2π/p)＝β2，周期p由以下的式(3)表示。
[数式3]
Figure BDA0003230721930000121
由于0<ne2<1，所以周期p满足以下的式(4)。
[数式4]
Figure BDA0003230721930000122
在慢光波导10中，在连接区域111和其以外的非连接区域112中是相同的波导模，所以波导光以高效率耦合。
在上述的例子中，在第1波导1与第2波导10重叠的连接区域111整体中设有光栅。但是，本发明的光设备的构造并不限定于这样的构造。光栅也可以仅设置于连接区域111的一部分，例如连接区域111中的距第1波导1的前端近的部位。换言之，在连接区域111中的距第1波导1的前端远的部位也可以不设置光栅。在本发明的一实施方式中，1个以上的光栅设置于在第1方向上从与光波导层20及第1波导1双方相接的介质(例如空气)与光波导层20的界面离开了比第1镜30的厚度及第2镜40的厚度的至少一方长的距离的位置。根据本发明的发明人们的研究表明，通过这样的构造，即使在光波导层20的厚度不均匀的情况下，也容易实现良好的光射出特性。
在上述的例子中，假定光波导层20的厚度沿着X方向是一定的。但是，实际上因为各种各样的原因，光波导层20的厚度可能沿着X方向变化。以下，详细地说明因光波导层20的厚度沿着X方向变化带来的影响。在以下的说明中，光栅的数量是1个，但光栅的数量也可以是2个以上。
图7是表示光波导层20的厚度的变化率与来自第1镜30的射出光的扩散角的关系的计算结果的例子的图。图7的例子中的光波导层20的厚度的变化率的范围是0nm/mm至100nm/mm。这里，“厚度的变化率”是指厚度相对于沿着光波导层20的长度方向即第1方向的1mm的位移的变化量。0nm/mm表示光波导层20的厚度沿着X方向实质上不变化。100nm/mm表示相对于沿着光波导层20的长度方向的1mm的位移，光波导层20的厚度变化100nm。
在本计算中，将光波导层20的厚度设为2.15μm，将折射率设为1.68，假定光波导层20的厚度沿着X方向变化的波导。求出从第1镜30的射出面射出的光的复振幅，通过对其施以二维离散傅里叶变换，计算出远方的射出光的角度波谱。在以下的说明中，假设射出光的扩散角为角度波谱中的射出光的半值全宽而记述。
如图7所示，在光波导层20的厚度的变化率为10nm/mm左右的情况下，射出光的扩散角与光波导层20的厚度为一定的情况大致相同。但是，在光波导层20的厚度的变化率为20nm/mm以上的情况下，射出光的扩散角相对于光波导层20的倾斜而大致单调地增加。这样的射出光的扩散是因为，由于光波导层20的不均匀的厚度，从第1镜30射出的光的相位分布紊乱。如果射出光的扩散角较大，则射出光的直线传播性丧失。特别是，在全反射波导1与慢光波导10连接的连接区域111中，与光从连接区域111进一步前进的部位相比，从第1镜30射出的光的强度更高。因而，如果连接区域111的光波导层20的厚度不为一定，则在从连接区域111中的第1镜30射出了光的情况下，比较强的射出光有可能过度扩散。
作为光波导层20的厚度变化的原因，可以考虑通过加工而第1镜30的端部的形状变化。如图6所示，第1镜30的端部30e例如可能通过蚀刻加工而倾斜。进而，作为光波导层20的厚度变化的其他原因，可以考虑第1镜30及/或第2镜40的翘曲。
以下，说明抑制由光波导层20的厚度的变化带来的影响的光设备的例子。
图8A是示意地表示本发明的例示性的实施方式的光设备的图。光设备的周围的介质例如是空气。与光波导层20及全反射波导1双方相接的介质和光波导层20的界面20i将全反射波导1包围。在本实施方式中，第1镜30及第2镜40的X方向的端部一致。因此，本实施方式的连接区域111的端面20i是经过第1镜30及第2镜40的端部并且与Y方向及Z方向并行的面。该端面20i是本实施方式的连接区域111的端部。此外，在本实施方式中，上述的介质和光波导层20的界面20i与连接区域111的端面20i一致。如图8A所示，光栅15与图6所示的例子相比，从第1镜30的端部30e离开而位于光波导层20的更内部。在将第1镜30的端部30e的倾斜部在X方向上投影时的长度超过第1镜30的厚度的情况下，从可靠性的观点出发，光设备中不使用这样的第1镜30。因此，在实际被用于光设备的第1镜30中，将端部30e的倾斜部在X方向上投影时的长度是第1镜30的厚度以下。第1镜30的厚度例如可以是3μm。关于第2镜40在端面20i附近具有如第1镜30那样的端面的情况也是同样的。因而，为了抑制由光波导层20的厚度的变化带来的影响，光栅15可以从端面20i在X方向上离开比第1镜30的厚度及第2镜40的厚度的至少一方长的距离而配置。换言之，X方向上的从端面20i到光栅15的距离L0比第1镜30的厚度及第2镜40的厚度的至少一方长。这里，从端面20i到光栅15的距离L0是指光栅15的2个端部中的距端面20i较近的端部与端面20i的距离。
图8B是从Z方向观察图8A所示的全反射波导1及慢光波导10的连接的示意图。在图8B所示的例子中，在全反射波导1中的、光波导层20的外侧，全反射波导1包括随着向慢光波导10接近而宽度单调地增加的部分。即，全反射波导1的一部分具有锥构造1t。距光波导层20较远的部分处的全反射波导1的宽度ww比作为耦合部的连接区域111中的全反射波导1的宽度wc窄。宽度ww可以是宽度wc的例如100分之1到2分之1左右。在全反射波导1中，在宽度较窄的波导部分1w与宽度较宽的波导部分1c之间存在锥构造1t。如果采用这样的构造，则能够抑制在宽度较窄的波导部分1w中传播的光向宽度较宽的波导部分1c入射时的反射。
另外，第1镜30及/或第2镜40的翘曲在第1镜30及/或第2镜40的X方向上的中心附近最小。因此，光栅15也可以位于光波导层20内的第1镜30及/或第2镜40的X方向上的中心附近。另一方面，从端面20i到光栅15的距离L0较短时，在全反射波导1中的位于光波导层20的内部的部分处发生缺陷及/或粒子的概率变小。因而，从端面20i到光栅15的距离L0及光栅15的长度Lg的合计L0+Lg也可以比第1镜30的长度的一半及第2镜40的长度的一半中的较短的任意一方短。L0+Lg相当于图8A所示的连接区域111的长度。图8A所示的第1镜30及第2镜40各自的整体的长度没有被特别限定，例如可以是300μm以上且10mm以下。在一例中，该长度可以是1mm以上且5mm以下，例如是约2mm。
连接区域111可以分为不包含光栅的第1连接区域111a和包含光栅15的第2连接区域111b。第1连接区域111a的长度是L0，第2连接区域111b的长度是Lg。第1连接区域111a的长度L0例如可以是3μm以上且1mm以下。该长度L0也可以是10μm以上且1mm以下。在其他例子中，该长度L0可以设定为150μm以上且1mm以下。
接着，说明从端面20i到光栅15的距离L0更长的光设备的例子。
图9是示意地表示从端面20i到光栅15的距离L0更长的光设备的例子的图。从端面20i到光栅15的距离L0例如可以设定为比在慢光波导10中沿着X方向传播的光的强度衰减到1/e倍所需要的衰减距离长的值。e是自然对数的底。该衰减距离例如可以是约150μm到约200μm或其以上。该衰减距离可以是当从Z方向观察时第1镜30和第2镜40重叠的区域的长度的几十分之一以上。当不满足式(3)时，在全反射波导1中传播的光不传播到非连接区域112，而被处于光波导层20内的全反射波导1的端面1e反射。被反射的光的一部分泄漏到连接区域111中的光波导层20内，向－X方向传播。由此，能够将在光波导层20内向－X方向传播的光从连接区域111中的第1镜30向后方射出。进而，在光波导层20包含液晶材料或电光学材料的情况下，通过调整光波导层20的折射率以满足式(3)，能够将光的射出方向从后方切换为前方、以及进行其相反的切换。另外，“前方”是指从慢光波导10射出的光的射出方向具有从全反射波导1朝向慢光波导10的+X方向的分量。“后方”是指从慢光波导10射出的光的射出方向具有从慢光波导10朝向全反射波导1的－X方向的分量。接着，说明经由光栅15的全反射波导1及慢光波导10的连接的变形例。参照图10A至图10C及图11A及图11B说明的以下的变形例在光栅15位于比光波导层20更靠内部这一点上与图8A所示的例子共通。
图10A至图10C是示意地表示图8A所示的光设备的变形例的剖视图。在图10A至图10C所示的例子中，全反射波导1被电介质层51支承，电介质层51被第2镜40支承。在全反射波导1及慢光波导10中，共用着第2镜40。电介质层51例如由SiO2形成。电介质层51的折射率nsub比全反射波导1的折射率nw1小。因而，在全反射波导1中传播的光不泄漏到电介质层51。电介质层51也可以不被第2镜40支承。在连接区域111及非连接区域112以外的区域中，也可以将第2镜40替换为与电介质层51相同材料的构造。本变形例的连接区域111的端面是经过第1镜30的端部并且与Y方向及Z方向并行的面。该端面是本实施方式的连接区域111的端部。
在图10A所示的例子中，全反射波导1在第1表面1s1中具备光栅15。在图10B所示的例子中，全反射波导1在第2表面1s2中具备光栅15。在图10C所示的例子中，全反射波导1在第1表面1s1及第2表面1s2双方中具备光栅15。
这样，全反射波导1也可以在第1表面1s1及第2表面1s2的至少一方具备光栅15。
图11A及图11B是示意地表示图8A所示的光设备的其他变形例的剖视图。在图11A及图11B所示的例子中，与图10A至图10C所示的例子同样，全反射波导1被电介质层51支承，电介质层51被第2镜40支承。
在图11A及图11B的例子中，不是在全反射波导1、而是在第1镜30及/或第2镜40的反射面设有光栅15。在图11A所示的例子中，慢光波导10在第1镜30的反射面具备光栅15。在图11B所示的例子中，慢光波导10在第2镜40的反射面具备光栅15。
在图11A及图11B所示的例子中，全反射波导1和第1镜30及/或第2镜40之间的Z方向的距离比较近。由此，全反射波导1中的瞬逝光被光栅15衍射。结果，与上述的例子同样，能够从全反射波导1向慢光波导10提高波导光的耦合效率。这样，慢光波导10也可以在第1镜30的反射面及第2镜40的反射面的至少一方具备光栅15。
如图8A、图10A至图10C及图11A及图11B所示，全反射波导1及慢光波导10的至少一方在当从Z方向观察时全反射波导1和慢光波导10重叠的部分的一部分处具有光栅15。
另外，图9所示的全反射波导1也可以如图10A至图10C及图11A及图11B所示，被第2镜40上的电介质层51支承。
接着，说明上述的光设备的构成要素可能具有的功能。
光波导层20的至少一部分也可以具有能够调整折射率及/或厚度的构造。通过调整折射率及/或厚度，从第1镜30射出的光的方向中的X方向的分量变化。
为了调整光波导层20的至少一部分的折射率，光波导层20也可以包含液晶材料或电光学材料。光波导层20能够被一对电极夹着。通过向一对电极施加电压，能够使光波导层20的折射率变化。
在光波导层20中，也可以同时调整连接区域111中的折射率和非连接区域112中的折射率。但是，如果调整连接区域111中的折射率，则式(3)的条件可能变化。结果，从全反射波导1向慢光波导10的波导光的耦合效率可能下降。所以，也可以将连接区域111中的折射率维持为一定，使得仅能够调整非连接区域112中的折射率。即使连接区域111及非连接区域112中的折射率不同，在连接区域111与非连接区域112的界面中发生的波导光的反射的影响也较小。
在此情况下，上述的一对电极(也称作“第1一对电极”)之间夹着光波导层20中的、与从垂直于第1镜30的反射面的方向观察时与全反射波导1重叠的部分不同的部分。通过由未图示的控制电路向一对电极施加电压，能够调整非连接区域112中的上述至少一部分的折射率。
只要如设计那样满足式(3)的条件就可以，但实际上由于制造误差，有不完全满足式(3)的条件的情况。为了这样的情况下的补偿，也可以与非连接区域112中的折射率的调整另外地，对光设备赋予调整连接区域111的折射率的功能。
在此情况下，可以除了上述第1一对电极以外还设置第2一对电极。第2一对电极之间夹着光波导层20中的、从Z方向观察时与全反射波导重叠的部分的至少一部分。控制电路通过对第1一对电极及第2一对电极独立地施加电压，能够独立地调整位于第1一对电极之间的光波导层的部分的折射率和位于第2一对电极之间的光波导层的部分的折射率。
为了调整光波导层20的厚度，例如也可以在第1镜30及第2镜40的至少一方连接至少1个致动器。控制电路通过控制至少1个致动器而使第1镜30与第2镜40的距离变化，能够使光波导层20的厚度变化。如果光波导层20由液体形成，则光波导层20的厚度能够容易地变化。
上述至少1个致动器可以与非连接区域112中的第1镜30及第2镜40的至少一方连接。通过致动器，能够使非连接区域112中的光波导层20的厚度变化。此时，式(3)的条件不变化。
上述至少1个致动器也可以是2个致动器。一个致动器可以与连接区域111中的第1镜30及第2镜40的至少一方连接。另一个致动器可以与非连接区域112中的第1镜30及第2镜40的至少一方连接。通过2个致动器，能够使连接区域111中的光波导层20的厚度和非连接区域112中的光波导层20的厚度各自分开变化。由此，能够如设计那样进行不满足式(3)的条件的情况下的补偿。
通过构成具备多组全反射波导1及慢光波导10的组的光设备，还能够进行二维的光扫描。这样的光扫描设备具备在Y方向上排列的多个波导单元。各波导单元具备上述的全反射波导1及慢光波导10。在该光扫描设备中，多个移相器与多个波导单元分别连接。多个移相器分别包括与多个波导单元的对应的1个中的全反射波导1直接或经由其他波导相连的波导。通过使经过多个移相器的光的相位的差分别变化，能够使从光扫描设备射出的光的方向中的Y方向的分量变化。可以通过同样的构造来构成光接收设备。
<应用例>
图12是表示在电路基板(例如芯片)上集成了分光器90、波导阵列10A、移相器阵列80A及光源130等元件的光扫描设备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射出自由空间中的波长是λ的单一波长的光。分光器90将来自光源130的光分支并向多个移相器的波导导入。在图12所示的例子中，在芯片上设有电极62A和多个电极62B。对于波导阵列10A，从电极62A供给控制信号。对于移相器阵列80A中的多个移相器80，从多个电极62B分别传送控制信号。电极62A及多个电极62B能够连接于生成上述控制信号的未图示的控制电路。控制电路既可以设在图12所示的芯片上，也可以设在光扫描设备100的其他芯片上。
如图12所示，通过将全部的组件集成到芯片上，能够用小型的设备实现大范围的光扫描。例如能够在2mm×1mm左右的芯片上集成图12所示的全部的组件。
图13是表示从光扫描设备100向远方照射激光等光束而执行二维扫描的状况的示意图。二维扫描通过使光束光斑310在水平及垂直方向上移动来执行。例如，通过与周知的TOF(Time Of Flight：飞行时间)法组合，能够取得二维的测距图像。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14是表示作为能够生成这样的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具备光扫描设备100、光检测器400、信号处理电路600和控制电路500。光检测器400检测从光扫描设备100射出并从对象物反射的光。光检测器400例如可以是对于从光扫描设备100射出的光的波长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器。光检测器400输出与接受到的光的量对应的电信号。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是对光扫描设备100、光检测器400及信号处理电路600进行控制的处理器。控制电路500对从光扫描设备100照射光束的定时、以及光检测器400的曝光及信号读出的定时进行控制，向信号处理电路600指示测距图像的生成。
在二维扫描中，作为取得测距图像的帧速率，例如可以从通常在运动图像中经常使用的60fps、50fps、30fps、25fps、24fps等中选择。此外，如果考虑向车载系统的应用，则帧速率越大则取得测距图像的频度越提高，能够精度越好地检测障碍物。例如，在60km/h下的行驶时，在60fps的帧速率下，每当车移动约28cm就能够取得图像。在120fps的帧速率下，每当车移动约14cm就能够取得图像。在180fps的帧速率下，每当车移动约9.3cm就能够取得图像。
为了取得一个测距图像所需要的时间依赖于光束扫描的速度。例如，为了以60fps取得分辨点数为100×100的图像，需要每1点以1.67μs以下进行光束扫描。在此情况下，控制电路500以600kHz的动作速度控制由光扫描设备100进行的光束的射出、以及由光检测器400进行的信号积蓄及读出。
<对光接收设备的应用例>
本发明的光扫描设备能够以大致相同的结构还被用作光接收设备。光接收设备具备与光扫描设备相同的波导阵列10A、和调整可接收的光的方向的第1调整元件。波导阵列10A的各第1镜30使从第3方向向第1反射面的相反一侧入射的光透射。波导阵列10A的各光波导层20使透射了第1镜30的光在第2方向上传播。第1调整元件通过使各波导元件10中的上述光波导层20的折射率及厚度、以及光的波长中的至少一个变化，能够使可接收的光的方向变化。进而，在光接收设备具备与光扫描设备相同的多个移相器80、或80a及80b、和使从多个波导元件10经过多个移相器80、或80a及80b而输出的光的相位的差分别变化的第2调整元件的情况下，能够使可接收的光的方向二维地变化。
例如能够构成将图12所示的光扫描设备100中的光源130替换为接收电路的光接收设备。如果波长λ的光入射到波导阵列10A，则该光经过移相器阵列80A被传送至分光器90，最终被集中到一个部位，被传送至接收电路。被集中在该一个部位的光的强度可以说表示光接收设备的灵敏度。光接收设备的灵敏度可以由分别组装到波导阵列及移相器阵列80A的调整元件来调整。在光接收设备中，例如在图4中，波数矢量(图中的粗箭头)的方向成为相反。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。X方向的光分量的灵敏度可以由组装到波导阵列10A的调整元件来调整。另一方面，波导元件10的排列方向的光分量的灵敏度可以由组装到移相器阵列80A的调整元件来调整。根据光接收设备的灵敏度成为最大时的光的相位差Δφ、光波导层20的折射率nw及厚度d，能知道图4所示的θ及α0。因此，能够确定光的入射方向。
上述的实施方式可以适当组合。
最后，将上述的光设备总结为以下的项目。
有关第1项目的光设备具备：第1波导，沿第1方向延伸；以及第2波导，与上述第1波导连接；上述第2波导具备：第1镜，具有第1反射面；第2镜，具有与上述第1反射面对置的第2反射面；以及上述第1镜与上述第2镜之间的光波导层，在内部包含包括上述第1波导的前端部的部分。上述第1波导及上述第2波导中的至少一方，在当从与上述第1反射面垂直的方向观察的情况下上述第1镜、上述第2镜及上述第1波导重叠的连接区域的一部分具有1个以上的光栅。上述1个以上的光栅从上述连接区域中的上述第1镜或上述第2镜的端部在上述第1方向上离开了比上述第1镜的厚度及上述第2镜的厚度的至少一方长的距离。
在该光设备中，即使在距第1镜及/或第2镜的连接区域较近一侧的端部上形成有倾斜部，也不受该倾斜部的影响，在第1波导中传播的光能够经由光栅与第2波导以高效率耦合。
有关第2项目的光设备在有关第1项目的光设备中，上述连接区域包括从上述端部到上述1个以上的光栅的第1区域和上述1个以上的光栅所在的第2区域。上述第1区域在上述第1方向上的长度与上述第2区域在上述第1方向上的长度的合计，比上述第1镜在上述第1方向上的长度的一半及上述第2镜在上述第1方向上的长度的一半中的较短的任意一方短。
在该光设备中，能够抑制在光波导层的内部发生的缺陷及/或粒子对从第1波导向第2波导的光耦合带来的影响。
有关第3项目的光设备在有关第1或第2项目的光设备中，从上述端部到上述1个以上的光栅的距离比在上述第2波导中沿着上述第1方向传播的光的强度衰减为1/e倍(e是自然对数的底)所需要的距离长。
在该光设备中，当在第1波导中传播的光没有经由光栅与第2波导耦合时，该光的一部分在连接区域中的光波导层中沿从第2波导朝向第1波导的方向传播。结果，该光的一部分从第1镜及/或第2镜向后方射出。
有关第4项目的光设备在有关第1至第3项目的任一项的光设备中，上述第1镜的透射率比上述第2镜的透射率高。从上述第1波导输入到上述第2波导的上述光波导层中的光的一部分经由上述第1镜射出。
在该光设备中，光经由第1镜射出。
有关第5项目的光设备在有关第1至第4项目的任一项的光设备中，当设在上述第1波导中传播的上述光的波导模的有效折射率为ne1，设上述光的空气中的波长为λ时，上述1个以上的光栅各自的周期大于λ/ne1，小于λ/(ne1－1)。
在该光设备中，通过适当地设定光栅的周期，在第1波导中传播的光能够经由光栅与第2波导以高效率耦合。
产业上的可利用性
本发明的光扫描设备及光接收设备例如能够利用于搭载于汽车、UAV、AGV等的车辆的激光雷达系统等的用途。
标号说明
10 波导元件、光波导
11 光波导
10A 波导阵列
15、15a、15b、15c、15m 光栅
20 光波导层
30 第1镜
40 第2镜
51 电介质层
62a、62b、62A、62B 电极
73 多个隔墙
80 移相器
80A 移相器阵列
90 分光器
100 光扫描设备
111 连接区域
112 非连接区域
110 波导阵列的驱动电路
130 光源
210 移相器阵列的驱动电路
310 光束斑点
400 光检测器
500 控制电路
600 信号处理电路。

Claims (5)

1.一种光设备，其中，具备：
第1波导，沿第1方向延伸；以及
第2波导，与上述第1波导连接；
上述第2波导具备：
第1镜，具有第1反射面；
第2镜，具有与上述第1反射面对置的第2反射面；以及
上述第1镜与上述第2镜之间的光波导层，在内部包含包括上述第1波导的前端部的部分；
上述第1波导及上述第2波导中的至少一方，在当从与上述第1反射面垂直的方向观察的情况下上述第1镜、上述第2镜及上述第1波导重叠的连接区域的一部分具有1个以上的光栅；
上述1个以上的光栅从上述连接区域中的上述第1镜或上述第2镜的端部在上述第1方向上离开了比上述第1镜的厚度及上述第2镜的厚度的至少一方长的距离。
2.如权利要求1所述的光设备，其中，
上述连接区域包括从上述端部到上述1个以上的光栅的第1区域和上述1个以上的光栅所在的第2区域；
上述第1区域在上述第1方向上的长度与上述第2区域在上述第1方向上的长度的合计，比上述第1镜在上述第1方向上的长度的一半及上述第2镜在上述第1方向上的长度的一半中的较短的任意一方短。
3.如权利要求1或2所述的光设备，其中，
从上述端部到上述1个以上的光栅的距离比在上述第2波导中沿着上述第1方向传播的光的强度衰减为1/e倍所需要的距离长，e是自然对数的底。
4.如权利要求1～3中任一项所述的光设备，其中，
上述第1镜的透射率比上述第2镜的透射率高；
从上述第1波导输入到上述第2波导的上述光波导层中的光的一部分经由上述第1镜射出。
5.如权利要求1～4中任一项所述的光设备，其中，
当设在上述第1波导中传播的上述光的波导模的有效折射率为ne1，设上述光的空气中的波长为λ时，
上述1个以上的光栅各自的周期大于λ/ne1，小于λ/(ne1－1)。
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