CN115826316A - 光设备及光检测系统 - Google Patents

Abstract

光设备具备：第1波导，通过全反射向导波方向传输光；以及第2波导；上述第2波导具备：第1反射膜；第2反射膜，与上述第1反射膜对置；以及第1光波导层，与上述第1波导直接相连或具有余隙地相连，位于上述第1反射膜与上述第2反射膜之间；上述第1光波导层与上述第1波导的中心线的延长线重叠；上述光设备将在上述第1光波导层内传输的上述光的一部分向上述第2波导的外部射出；或者，上述光设备将入射到上述第2波导中的光的一部分向上述第1光波导层内导入。

Description

光设备及光检测系统

本申请是申请日为2017年8月21日、申请号为“201780003619.X”、发明名称为“光扫描设备、光接收设备及光检测系统”的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本公开涉及光设备及光检测系统。

背景技术

以往提出了能够用光对空间进行扫掠(即扫描)的各种各样的设备。

专利文献1公开了一种能够使用使镜旋转的驱动装置进行光的扫描的结构。

专利文献2公开了一种具有二维地排列的多个纳米光学天线元件的光相控阵列。公开了以下技术：各个天线元件与可变光延迟线(移相器)光学地耦合。在该光相控阵列中，将相干光束用波导向各个天线元件引导，由移相器改变光束的相位。由此，能够使远场辐射图(far field radiation pattern)的振幅分布变化。

专利文献3公开了一种光偏转元件，具备：波导，具备光在内部中导波的光波导层、以及在光波导层的上表面及下表面形成的第1分布布拉格镜；光入射口，用来使光向波导内入射；光射出口，为了使从光入射口入射并在波导内导波的光射出而形成在波导的表面上。

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

发明内容

本公开提供一种能够以比较简单的结构实现光的扫描的新的光设备。

有关本公开的一技术方案的光设备具备：第1波导，通过全反射向导波方向传输光；以及第2波导；上述第2波导具备：第1反射膜；第2反射膜，与上述第1反射膜对置；以及第1光波导层，与上述第1波导直接相连或具有余隙地相连，位于上述第1反射膜与上述第2反射膜之间；上述第1光波导层与上述第1波导的中心线的延长线重叠；上述光设备将在上述第1光波导层内传输的上述光的一部分向上述第2波导的外部射出；或者，上述光设备将入射到上述第2波导中的光的一部分向上述第1光波导层内导入。

上述包含性或具体的技术方案也可以通过设备、系统、方法、集成电路、计算机程序、记录介质或它们的任意的组合来实现。

根据本公开的一技术方案，能够以比较简单的结构实现通过光的一维扫描或二维扫描。

附图说明

图1是示意地表示本公开的例示性的实施方式的光扫描设备100的结构的立体图。

图2是示意地表示1个波导元件10的截面的构造及传输的光的例子的图。

图3是示意地表示在本模拟中使用的计算模型的图。

图4A表示计算了光波导层20的厚度d是704nm的情况下的光波导层20的折射率n_w与模数m＝1的光的射出角度θ的关系的结果。

图4B表示计算了光波导层20的厚度d是446nm的情况下的光波导层20的折射率n_w与模数m＝1的光的射出角度θ的关系的结果。

图5是示意地表示由单一的波导元件10实现一维扫描的光扫描设备100的例子的图。

图6A是示意地表示光向波导元件10输入的结构的例(比较例)的剖面图。

图6B是表示通过光纤7将光向波导10入射的结构的例子的图。

图7是表示将光的入射角θ_in固定、通过使波导的折射率n_w变化而使光的射出角θ_out变化时的耦合效率的变化的曲线图。

图8是示意地表示本公开的例示性的实施方式的光扫描设备的构造的一部分的剖面图。

图9是示意地表示光扫描设备的构造的另一例的剖面图。

图10是示意地表示光扫描设备的构造的又一例的剖面图。

图11是表示如图8所示的例子那样向被2个多层反射膜夹着的光波导层2的光的入射的一例。

图12A表示光如图9所示的例子那样经由设在波导1的表面上的光栅5向波导1导入的例子。

图12B表示光从波导1的端面输入的例子。

图12C表示光从设在波导1的表面上的激光源6经由该表面输入的例子。

图13表示将n_w1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依存性。

图14表示将n_w1变更为3.48、将d1变更为0.5μm而用同样的方法进行的计算的结果。

图15是将横轴设为d2/d_cutoff、将纵轴设为折射率比(|n_w1－n_w2|/n_w1)、分类为耦合效率为0.5以上的情况和耦合效率不到0.5的情况的图。

图16是表示波导1中的光波导层2的厚度方向的中心和波导10中的光波导层20的厚度方向的中心错开了Δz的结构的图。

图17是表示从波导1向波导10的光的耦合效率的Δz依存性的图。

图18A表示将n_w1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依存性。

图18B表示将n_w1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依存性。

图19A是表示在其他的模数的光的传输的计算中使用的计算模型的图。

图19B是表示其他的模数的光的传输的计算结果的图。

图20A是表示其他的实施方式的光扫描设备的剖面图。

图20B是表示耦合效率的余隙宽度依存性的计算结果的图。

图21A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21B是表示向和与波导阵列的射出面垂直的方向不同的方向射出光的波导阵列的截面的图。

图22是示意地表示三维空间中的波导阵列的立体图。

图23A是表示在p比λ大的情况下从波导阵列射出衍射光的状况的示意图。

图23B是表示在p比λ小的情况下从波导阵列射出衍射光的状况的示意图。

图23C是表示在p≒λ/2的情况下从波导阵列射出衍射光的状况的示意图。

图24是表示移相器80被直接连接在波导元件10上的结构的例子的示意图。

图25是将波导阵列10A及移相器阵列80A从光射出面的法线方向(Z方向)观察的示意图。

图26是示意地表示移相器80的波导与波导元件10的光波导层20经由其他的波导85相连的结构的例子的图。

图27是表示在光分路器90中插入了以级联状排列的多个移相器80的结构例的图。

图28A是示意地表示第1调整元件60的结构的一例的立体图。

图28B是示意地表示第1调整元件60的另一结构例的立体图。

图28C是示意地表示调整元件60的又一结构例的立体图。

图29是表示将包括由具有较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组合的结构的例子的图。

图30是表示用由容易变形的材料构成的支承部件70保持着镜30的结构例的图。

图31是表示通过在电极间发生的静电力使镜30及/或40移动的结构的一例的图。

图32是表示将产生引力的电极62配置在不妨碍光的传输的位置的结构例的图。

图33是表示包含压电材料的压电元件72的例子的图。

图34A是表示使用图33所示的压电元件72的具有单压电片的构造的支承部件74a的结构例的图。

图34B是表示通过对压电元件72施加电压支承部件74a变形的状态的例子的图。

图35A是表示使用图33所示的压电元件72的具有双压电片的构造的支承部件74b的结构例的图。

图35B是表示通过对两侧的压电元件72施加电压支承部件74a变形的状态的例子的图。

图36是表示将图34A所示的支承部件74a配置在镜30的两侧的致动器的例子的图。

图37A是用来说明在单压电片型的致动器中发生的前端的倾斜的图。

图37B是表示将伸缩的方向不同的2个单压电片型的支承部件74a串联地接合的例子的图。

图38是表示将保持多个第1镜30的支承部件(即辅助基板)52用致动器一齐驱动的结构的例子的图。

图39是表示多个波导元件10中的第1镜30是1个板状的镜的结构例的图。

图40是表示从各个波导元件10的电极62将布线64共同地取出的结构的例子的图。

图41是表示使一部分的电极62及布线64共用的结构的例子的图。

图42是表示对多个波导元件10配置了共用的电极62的结构的例子的图。

图43是示意地表示将配置移相器阵列80A的区域确保得较大、将波导阵列较小地集成的结构的例子的图。

图44是表示2个移相器阵列80Aa及80Ab分别被配置在波导阵列10A的两侧的结构例的图。

图45A表示波导元件10的排列方向d1及波导元件10延伸的方向d2不正交的波导阵列的结构例。

图45B表示波导元件10的排列间隔不为一定的波导阵列的结构例。

图46是表示在电路基板(即芯片)上集成了光分路器90、波导阵列10A、移相器阵列80A及光源130等的元件的光扫描设备100的结构例的图。

图47是表示从光扫描设备100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48是表示能够生成这样的测距图像的激光雷达(LiDAR)系统300的结构例的框图。

图49是表示全反射波导的概略结构的图。

图50是表示全反射波导的电场强度分布的图。

图51是表示慢光波导的概略结构的图。

图52是表示慢光波导的电场强度分布的图。

具体实施方式

在说明本公开的实施方式之前，说明作为本公开的基础的认识。

本申请发明者们发现，在以往的光扫描设备中，有在不使装置的结构变复杂的情况下难以用光对空间进行扫描的技术问题。

例如，在专利文献1所公开的技术中，需要使镜旋转的驱动装置。因此，装置的结构变得复杂，有对于振动鲁棒性不强的技术问题。

在专利文献2所记载的光相控阵列中，需要将光分支导入到多个列波导及多个行波导中，将光向二维地排列的多个天线元件引导。因此，用来引导光的波导的布线变得非常复杂。此外，不能使二维扫描的范围变大。进而，为了使远场中的射出光的振幅分布二维地变化，需要在二维地排列的多个天线元件的各自上连接移相器，在移相器上安装相位控制用的布线。由此，使向二维地排列的多个天线元件入射的光的相位分别变化不同的量。因此，元件的结构变得非常复杂。

根据专利文献3的结构，通过使向光偏转元件入射的光的波长变化，能够由射出光一维地进行较大的扫描。但是，需要使向光偏振元件入射的光的波长变化的机构。如果将这样的机构装入到激光器等的光源中，则有光源的构造变得复杂的技术问题。

本申请发明者们着眼于以往技术中的上述技术问题，研究了用来解决这些技术问题的结构。本申请发明者们发现，通过使用具有对置的一对镜和被这些镜夹着的光波导层的波导元件，能够解决上述技术问题。波导元件的一对镜的一方与另一方相比具有较高的光透射率，使在光波导层中传输的光的一部分向外部射出。可以如后述那样通过调整光波导层的折射率及/或厚度来使射出的光的方向(或射出角度)变化。更具体地讲，通过使折射率及/或厚度变化，能够使射出光的波矢量(wave vector)的沿着光波导层的较长方向的方向的成分变化。由此，实现一维的扫描。

进而，在使用多个波导元件的阵列的情况下，也能够实现二维的扫描。更具体地讲，对向多个波导元件供给的光赋予适当的相位差，通过调整该相位差，能够使从多个波导元件射出的光相互加强的方向变化。通过相位差的变化，射出光的波矢量的、与沿着光波导层的较长方向的方向交叉的方向的成分变化。由此，能够实现二维的扫描。另外，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及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，并使多个光波导层的折射率及厚度的至少一方同步地同量变化，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实现通过光的二维扫描。

以上的基本原理不仅是射出光的用途、对于接收光信号的用途也同样能够应用。通过使光波导层的折射率及厚度的至少一方变化，能使能够接收的光的方向一维地变化。进而，如果通过分别连接于在一方向上排列的多个波导元件上的多个移相器使光的相位差变化，则能使能够接收的光的方向二维地变化。

本公开的实施方式的光扫描设备及光接收设备例如可以被作为LiDAR(LightDetection and Ranging：光雷达)系统中的天线使用。LiDAR系统与使用微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)，所以能够以较高的分辨率检测物体的距离分布。这样的LiDAR系统可以被搭载到例如汽车、UAV(Unmanned AerialVehicle，所谓无人驾驶车辆)、AGV(Automated Guided Vehicle：自动导引车)等的移动体中，作为碰撞避免技术之一使用。

<光扫描设备的结构例>

以下，作为一例，说明进行二维扫描的光扫描设备的结构。

图1是示意地表示本公开的例示性的实施方式的光扫描设备100的结构的立体图。光扫描设备100具备包括在第1方向(图1中的Y方向)上规则地排列的多个波导元件10的波导阵列。多个波导元件10是多个第2波导的一例。多个波导元件10分别具有在与第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10一边使光在第2方向上传输，一边使光向与由第1及第2方向形成的平面交叉的第3方向D3射出。所谓由第1及第2方向形成的平面，即与第1及第2方向平行的假想的平面。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方向上以等间隔排列，但并不需要一定以等间隔排列。

另外，本申请的附图中表示的构造物的朝向考虑说明的容易理解度而设定，本公开的实施方式完全不限制现实实施时的朝向。此外，附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，有时简称作镜)、和位于镜30与镜40之间的光波导层20。镜30及40分别在与光波导层20的界面上具有与第3方向D3交叉的反射面。镜30及40以及光波导层20具有在第2方向(X方向)上延伸的形状。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第3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第4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。至少可以通过(1)各第1镜30与其他的第1镜30分体地构成，(2)各第2镜40与其他的第2镜40分体地构成，或(3)各光波导层20与其他的光波导层20分体地构成，能够形成多个波导。所谓“分体地构成”，不仅是在物理上设置空间，还包括中间夹着折射率不同的材料而分离。第1镜30的反射面与第2镜40的反射面大致平行地对置。2个镜30及40中的至少第1镜30具有使在光波导层20中传输的光的一部分透射的特性。换言之，第1镜30关于该光具有比第2镜40高的光透射率。因此，在光波导层20中传输的光的一部分被从第1镜30向外部射出。这样的镜30及40可以是例如通过由电介体构成的多层膜(有时也称作“多层反射膜”)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的折射率及厚度的至少一方同步地(同时地)变化，由此能够实现光的二维扫描。

本申请发明者们为了实现这样的二维扫描，关于波导元件10的动作原理详细地进行了分析。通过基于其结果将多个波导元件10同步地驱动，成功实现了通过光的二维扫描。

如图1所示，如果将光输入到各波导元件10中，则光从各波导元件10的射出面射出。射出面位于第1镜30的反射面的相反侧。其射出光的方向D3依存于光波导层的折射率、厚度及光的波长。在本实施方式中，将各光波导层的折射率及厚度的至少一方同步地控制，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射出的光的波矢量的X方向的成分变化。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，能够使光因为干涉而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，相位各相差一定量的光被输入到多个波导元件10中。通过使其相位差变化，能够使射出光的波矢量的Y方向的成分变化。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，能够使光因为干涉而相互加强的方向D3沿着图1所示的方向102变化。由此，能够实现通过光的二维扫描。

以下，更详细地说明光扫描设备100的动作原理。

<波导元件的动作原理>

图2是示意地表示1个波导元件10的截面的构造及传输的光的例子的图。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，示意地表示与波导元件10的XZ面平行的截面。在波导元件10中，夹着光波导层20而配置有一对镜30和镜40。从光波导层20的X方向上的一端导入的光22一边被设在光波导层20的上表面(图2中的上侧的表面)上的第1镜30及设在下表面(图2中的下侧的表面)上的第2镜40反复反射，一边在光波导层20内传输。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。

在通常的光纤等的波导中，光一边反复全反射一边沿着波导传输。相对于此，在本实施方式的波导元件10中，光一边被配置在光波导层20的上下的镜30及40反复反射一边传输。因此，能够不受光的传输角度(向镜30或40与光波导层20的界面的入射角度)制约地，也传输向镜30或40以更接近于垂直的角度入射的光。即，能够也传输以比全反射的临界角小的角度(即，更接近于垂直的角度)向界面入射的光。因此，光的传输方向上的光的行进速度(群速度)与自由空间中的光速相比较大地下降。由此，波导元件10具有光的传输条件相对于光的波长、光波导层20的厚度及光波导层20的折射率的变化较大地变化的性质。

对波导元件10的光的传输更详细地说明。将光波导层20的折射率设为n_w，将光波导层20的厚度设为d。这里，光波导层20的厚度d是镜30或40的反射面的法线方向上的光波导层20的尺寸。如果考虑光的干涉条件，则波长λ的光的传输角度θ_w满足以下的式(1)。

[数式1]

2dn_wcosθ_w＝mλ (1)

M是模数(mode number)。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。当光波导层20内的波长λ_g为λ/n_w时，可以认为光波导层20的厚度方向上的波长λ_g’是λ/(n_wcosθ_w)。当光波导层20的厚度d与光波导层20的厚度方向上的波长λ_g’的一半λ/(2n_wcosθ_w)的整数倍相等时，形成驻波。根据该条件得到式(1)。另外，式(1)中的m表示驻波的腹点(anti－node)的数量。

在镜30及40是多层膜镜的情况下，在反射时光也侵入到镜内部中。因此，严格地讲，需要将与光侵入的光路长对应的项附加到式(1)的左边。但是，由于光波导层20的折射率n_w及厚度d的影响远大于向镜内部的光的侵入的影响，所以可以由式(1)说明基本的动作。

在光波导层20内传输的光穿过第1镜30向外部(典型的是空气)射出时的射出角度θ可以按照斯涅尔的法则，如以下的式(2)那样记述。

[数式2]

sinθ＝n_wsinθ_w (2)

式(2)可根据在光的射出面中空气侧的光的面方向上的波长λ/sinθ与波导元件10侧的光的传输方向的波长λ/(n_wsinθ_w)相等的条件来得到。

由式(1)及式(2)，射出角度θ可以如以下的式(3)那样记述。

[数式3]

根据式(3)可知，通过改变光的波长λ、光波导层20的折射率n_w及光波导层20的厚度d的某个，能够改变光的射出方向。

例如，在n_w＝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n_w＝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°。如果使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，通过改变光的波长λ、光波导层20的折射率n_w及光波导层20的厚度d的某个，能够较大地改变光的射出方向。

利用该原理，可以想到通过设置使在光波导层20内传输的光的波长变化的波长改变机构来控制光的射出方向。但是，如果将波长改变机构装入到激光器等的光源中，则光源的结构变得复杂。

所以，本实施方式的光扫描设备100通过控制光波导层20的折射率n_w及厚度d的一方或双方，来控制光的射出方向。在本实施方式中，光的波长λ在动作中不变化而被维持为一定。波长λ没有被特别限定。例如，波长λ可以包含在通常的由通过用硅(Si)将光吸收来检测光的光检测器或图像传感器能得到较高的检测灵敏度的400nm～1100nm(从可视光到近红外光)的波长域中。在其他的例子中，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～1625nm的近红外光的波长域中。另外，这些波长范围是一例。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。在本实施方式中不进行波长的控制，但也可以除了折射率及/或厚度的控制以外，还进行使波长变化的控制。

本申请发明者们通过光学解析验证了上述那样的向特定方向的光的射出实际上是可能的。光学解析通过使用サイバネット公司的DiffractMOD的计算来进行。这是基于严格耦合波理论(RCWA：Rigorous Coupled－Wave Analysis)的模拟，能够正确地计算波动光学的效应。

图3是示意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上依次层叠有第2镜40、光波导层20和第1镜30。第1镜30及第2镜40都是包含电介体多层膜的多层膜镜。第2镜40具有将折射率相对较低的低折射率层42及折射率相对较高的高折射率层44交替地各层叠6层(共计12层)的构造。第1镜30具有将低折射率层42及高折射率层44交替地各层叠2层(共计4层)的构造。在镜30与镜40之间配置有光波导层20。波导元件10及基板50以外的介质是空气。

使用该模型，一边使光的入射角度变化，一边调查对于入射光的光学响应。这对应于调查来自空气的入射光和光波导层20以何种程度耦合。在入射光与光波导层20耦合的条件下，也发生在光波导层20中传输的光向外部射出这样的逆过程。由此，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中传输的光向外部射出时的射出角度。如果入射光与光波导层20耦合，则在光波导层20内发生因光的吸收及散射造成的损失。即，在发生较大的损失的条件下，入射光与光波导层20较强地耦合。如果没有因吸收等造成的光的损失，则光的透射率及反射率的合计为1，而如果有损失，则透射率及反射率的合计变得比1小。在本计算中，为了取入光的吸收的影响，向光波导层20的折射率导入虚部，计算从1减去透射率及反射率的合计后的值，作为损失的大小。

在本模拟中，假设基板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)。计算了将波长λ＝1.55μm的光的角度进行各种各样的改变而入射时的损失的大小。

图4A表示计算光波导层20的厚度d为704nm的情况下的光波导层20的折射率n_w与模数m＝1的光的射出角度θ的关系的结果。白线表示损失较大。如图4A所示，在n_w＝2.2附近，模数m＝1的光的射出角度为θ＝0°。在具有接近于n_w＝2.2的折射率的物质中，例如有铌酸锂。

图4B表示计算光波导层20的厚度d为446nm的情况下的光波导层20的折射率n_w与模数m＝1的光的射出角度θ的关系的结果。如图4B所示，在n_w＝3.45附近，模数m＝1的光的射出角度为θ＝0°。在具有接近于n_w＝3.45的折射率的物质中，例如可以举出硅(Si)。

通过这样调整光波导层20的厚度d，能够进行设计，以使得对于特定的光波导层20的折射率n_w，特定的模数(例如m＝1)的光的射出角度θ成为0°。

如图4A及图4B所示，能够确认射出角度θ对应于折射率的变化而较大地变化。如后述那样，例如可以通过载流子注入、电光学效应及热光学效应等的各种各样的方法使折射率变化。由这样的方法带来的折射率的变化为0.1左右，不怎么大。因此，到此为止，考虑了在这样的较小的折射率的变化下，射出角度不那么大地变化。但是，如图4A及图4B所示，可知在射出角度为θ＝0°的折射率附近，如果折射率增加0.1则射出角度θ从0°变化到约30°。这样，在本实施方式的波导元件10中，即使是较小的折射率变化，也能够较大地调整射出角度。

同样，由图4A及图4B的比较可知，可以确认对应于光波导层20的厚度d的变化而射出角度θ较大地变化。如后述那样，例如可以通过连接在2个镜的至少一方上的致动器使厚度d变化。即使厚度d的变化较小，也能够较大地调整射出角度。

这样，为了改变从波导元件10射出的光的方向，只要使光波导层20的折射率n_w及/或厚度d变化就可以。为了实现这一点，本实施方式的光扫描设备100具备使各波导元件10中的光波导层20的折射率及厚度的至少一方变化的第1调整元件。关于第1调整元件的结构例在后面叙述。

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n_w及厚度d的至少一方变化，能够较大地改变光的射出方向。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。为了实现这样的一维的扫描，不需要使用波导元件10的阵列，只要使用至少1个波导元件10就可以。

图5是示意地表示由单一的波导元件10实现一维扫描的光扫描设备100的例子的图。在该例中，形成在Y方向上有扩展的束斑。通过使光波导层20的折射率变化，能够使束斑沿着X方向移动。由此，实现一维扫描。由于束斑在Y方向上具有扩展，所以即使是一轴方向的扫描，也能够对二维地扩展的比较大的区域进行扫描。在不需要二维扫描的用途中，也可以采用图5所示那样的结构。

在实现二维扫描的情况下，如图1所示，使用排列有多个波导元件10的波导阵列。当在多个波导元件10内传输的光的相位满足特定的条件时，光向特定的方向射出。如果该相位的条件变化，则光的射出方向在波导阵列的排列方向上也变化。即，通过使用波导阵列，能够实现二维扫描。关于用来实现二维扫描的更具体的结构的例子在后面叙述。

如以上这样，通过使用至少1个波导元件10使波导元件10中的光波导层20的折射率及厚度的至少一方变化，能够使光的射出方向变化。但是，关于向波导元件10有效率地导入光的结构还有改善的余地。本公开的实施方式的波导元件10与利用光的全反射的通常的波导(以下有时称作“全反射波导”)不同，具备光波导层被一对镜(例如多层反射膜)夹着的波导构造(以下有时称作“反射型波导”)。关于光向这样的反射型波导的耦合，到目前为止还没有被充分地研究。本申请发明者们想到了用来向光波导层20有效率地导入光的新的构造。

图6A是示意地表示光经由空气及镜30间接地向光波导层20输入的结构的例子(比较例)的剖面图。在本比较例中，对于作为反射型波导的波导元件10的光波导层20，从外部经由空气及镜30间接地导入传播光。为了向光波导层20导入光，对于光波导层20的内部的导波光的反射角θ_w，需要满足斯涅尔的法则(n_insinθ_in＝n_wsinθ_w)。这里，n_in是外部介质的折射率，θ_in是传播光的入射角，n_w是光波导层20的折射率。通过考虑该条件调整入射角θ_in，能够使光的耦合效率最大化。进而，在该例中，在第1镜30的一部分上设有减少了多层反射膜的膜的数量的部分。通过从该部分输入光，能够提高耦合效率。但是，在这样的结构中，需要根据光波导层20的传输常数的变化(θ_wav的变化)而使光向光波导层20的入射角θ_in变化。

即使发生了光波导层20的传输常数的变化，为了保持光总是能够与波导耦合的状态，也有将有角度扩展的束向减少了多层反射膜的膜数量的部分入射的方法。作为这样的方法的一例，如图6B所示，研究了通过相对于镜30的法线方向以角度θ_in倾斜而配置的光纤7、从外部经由空气及镜30间接地将光入射到波导元件10中的情况下的耦合效率。为了简单，将光考虑为光线。通常的单模光纤的开口数(NA)是0.14左右。如果换算为角度，则是约±8度。与波导耦合的光的入射角度的范围是与从波导射出的光的扩展角相同的程度。射出光的扩展角θ_div用以下的式(4)表示。

[数式4]

这里，L是传输长，λ是光的波长，θ_out是光的射出角。如果设L为10μm以上，则θ_div即使较大也是1度以下。因而，来自光纤7的光的耦合效率是1/16×100≒6.3％以下。进而，在图7中表示计算将光的入射角θ_in固定、通过使波导的折射率n_w变化而使光的射出角θ_out变化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所示的结果通过将入射角θ_in设为30°、将波导膜厚设为1.125μm、将波长设为1.55μm，计算耦合效率而得到。在该计算中，通过使折射率n_w在1.44～1.78的范围中变化，使射出角θ_out在10°～65°的范围中变化。如图7所示，在这样的结构中，耦合效率最大也不到7％。此外，如果使射出角θ_out从耦合效率为峰值的射出角变化20°以上，则耦合效率进一步下降到一半以下。

这样，如果为了光扫描通过使波导的折射率等变化而使传输常数变化，则耦合效率进一步下降。为了维持耦合效率，需要根据传输常数的变化而使光的入射角θ_in变化。但是，导入使光的入射角θ_in变化的机构会导致装置结构的复杂化，并不优选。本申请发明者们想到，通过在具有使折射率或厚度变化的波导的区域的前段设置具有折射率及厚度被维持为一定的波导的区域，能够将光入射角固定。

此外，考虑不同的2个波导中的导波光的耦合时重要的因素有2点。第1个是传输光的传输常数，第2个是模的电场强度分布。它们在2个波导中越接近则耦合效率越高。波导中的传输光的传输常数β如果为了简单而以几何光学考虑，则用β＝k·sinθ_w＝(2πn_wsinθ_w)/λ表示。设波数为k，设导波角度为θ_w，设导波层折射率为n_w。在全反射型的波导中，由于使用全反射将导波光关入在导波层中，所以满足作为全反射条件的n_wsinθ_w>1。另一方面，在慢光波导中，由于由存在于波导的上下的多层反射膜将光关入在波导中，将导波光的一部分越过多层反射膜而射出，所以为n_wsinθ_w<1。在全反射波导和将导波光的一部分射出的慢光波导中，传输常数不能相等。关于电场强度分布，图49所示那样的全反射波导的电场强度分布在波导内具有图50那样的峰值，在波导外单调减少。但是，在图51所示那样的慢光波导中，电场强度分布成为图52所示那样。在波导内具有峰值是不变的，但由于导波光在电介质多层膜内通过光的干涉而反射，所以如图52所示那样，电场强度较深地渗出到电介质多层膜中，此外振动性地变化。如以上这样，在全反射波导和慢光波导中，导波光的传输常数、电场强度分布都较大地不同。由此，没有考虑到将全反射波导与慢光波导直接相连。本申请发明者们发现，能够直接将全反射波导与具有可变的折射率及/或可变的厚度的光波导层相连。

本公开包括以下的项目中记载的设备。

[项目1]

一种光扫描设备，具备：第1波导；以及第2波导，与上述第1波导相连；上述第2波导具有：第1镜，具有多层反射膜；第2镜，具有与上述第1镜的上述多层反射膜对置的多层反射膜；以及光波导层，位于上述第1镜及上述第2镜之间，并且传输输入到上述第1波导中并在上述第1波导中传输的光；上述第1镜具有比上述第2镜高的光透射率，将在上述光波导层内传输的光的一部分向上述光波导层的外部射出；还具备通过使上述光波导层的折射率及厚度的至少一方变化，从而使从上述第2波导射出的光的方向变化的调整元件。

[项目2]

如项目1所述的光扫描设备，上述光波导层包含在被施加了电压的情况下相对于在上述光波导层中传输的光的折射率变化的材料；上述调整元件通过对上述光波导层施加电压，使上述光波导层的折射率变化，由此使从上述第2波导射出的光的方向。

[项目3]

如项目1或2所述的光扫描设备，上述第1波导具有对置的2个多层反射膜、和被上述2个多层反射膜夹着的光波导层。

[项目4]

如项目3所述的光扫描设备，上述对置的2个多层反射膜的光透射率比上述第1镜的光透射率低。

[项目5]

如项目1～4中任一项所述的光扫描设备，当设上述第1波导的折射率为n_w1，设上述第2波导的上述光波导层的折射率为n_w2时，

|n_w1－n_w2|/n_w1<0.4。

[项目6]

如项目1～5中任一项所述的光扫描设备，当设上述第2波导的上述光波导层的折射率为n_w2，设上述第2波导的上述光波导层的厚度为d₂，设向上述第1波导输入的光的波长为λ时，满足

0.95×mλ/(2n_w2)<d₂<1.5×mλ/(2n_w2)。

[项目7]

如项目1～6中任一项所述的光扫描设备，上述第1波导通过全反射传输输入到上述第1波导中的光，还满足

1.2×mλ/(2n_w2)<d₂<1.5×mλ/(2n_w2)。

[项目8]

如项目1～7中任一项所述的光扫描设备，当设上述第1波导的折射率为n_w1，设上述第2波导的上述光波导层的折射率为n_w2时，n_w1>n_w2。

[项目9]

如项目1～8中任一项所述的光扫描设备，上述第2波导的上述光波导层经由余隙与上述第1波导相连；当设向上述第1波导输入的光的波长为λ时，上述余隙的折射率与上述余隙的宽度的积是λ/6.5以下。

[项目10]

如项目1～9中任一项所述的光扫描设备，当设上述第1波导的厚度方向的中心与上述第2波导的厚度方向的中心的偏差的大小为Δz，设上述第1波导的光波导层的厚度与上述第2波导的上述光波导层的厚度的差为Δd时，满足

－Δd/2<Δz<Δd/2。

[项目11]

如项目1～10中任一项所述的光扫描设备，上述第1波导具有对置的2个多层反射膜、和被上述2个多层反射膜夹着的光波导层；上述2个多层反射膜的一方具有膜厚比邻接的部位薄的部位；上述光波导层传输入射到上述部位的光，并将其输入到上述第2波导的上述光波导层的端面。

[项目12]

如项目1～10中任一项所述的光扫描设备，上述第1波导在表面的一部分具有光栅，传输入射到上述光栅中的光，并且将其输入到上述第2波导的上述光波导层的端面。

[项目13]

如项目1～10中任一项所述的光扫描设备，上述第1波导传输从上述第1波导的端面入射的光，并且将其输入到上述第2波导的上述光波导层的端面。

[项目14]

如项目1～10中任一项所述的光扫描设备，还具备与上述第1波导相连并传输从外部入射的光并且将其输入到上述第1波导的第3波导。

[项目15]

如项目14所述的光扫描设备，上述第1波导具有对置的2个多层反射膜、和被上述2个多层反射膜夹着的光波导层；上述第3波导通过全反射传输光，并且将其输入到上述第1波导。

[项目16]

如项目14或15所述的光扫描设备，上述第3波导在表面的一部分具有光栅，传输入射到上述光栅的光，并且将其输入到上述第1波导的端面。

[项目17]

如项目14或15所述的光扫描设备，上述第3波导传输从上述第3波导的端面入射的光，并且将其输入到上述第1波导的端面。

[项目18]

一种光扫描设备，具备在第1方向上排列的多个波导单元；上述多个波导单元分别具有：第1波导；以及第2波导，与上述第1波导相连，向与上述第1方向交叉的第2方向传输光；上述第2波导具有：第1镜，具有多层反射膜；第2镜，具有与上述第1镜的上述多层反射膜对置的多层反射膜；光波导层，位于上述第1镜及上述第2镜之间，传输输入到上述第1波导并且在上述第1波导中传输的光；上述第1镜具有比上述第2镜高的光透射率，将在上述光波导层内传输的光的一部分向上述光波导层的外部射出；还具备通过使各第2波导的上述光波导层的折射率及厚度的至少一方变化从而使从各第2波导射出的光的方向变化的第1调整元件。

[项目19]

如项目18所述的光扫描设备，还具备通过调整从上述多个波导单元的上述第1波导向上述第2波导传输的光的相位的差从而使从各第2波导射出的光的方向变化的第2调整元件。

[项目20]

如项目19所述的光扫描设备，还具备多个移相器，该多个移相器具有分别连接在上述多个波导单元的上述第1波导上的波导；各移相器的上述波导包括对应于电压的施加或者温度的变化而折射率变化的材料；上述第2调整元件通过对各移相器的上述波导施加电压或者使上述波导的温度变化，从而使上述波导内的折射率变化，并且使从上述多个移相器向上述多个波导元件传输的光的相位的差分别变化。

[项目21]

如项目19或20所述的光扫描设备，当设从各第2波导射出的光的波矢量的上述第2方向的成分为X成分，设上述第1方向的成分为Y成分时，上述第1调整元件使上述波矢量的X成分变化，上述第2调整元件使上述波矢量的Y成分变化。

[项目22]

如项目19～20中任一项所述的光扫描设备，还具备：光源，射出自由空间中的波长为λ的光；光分路器，将来自上述光源的上述光分路而向上述多个移相器的上述波导导入。

[项目23]

一种光接收设备，具备：第1波导；以及第2波导，与上述第1波导相连；上述第2波导具有：第1镜，具有多层反射膜；第2镜，具有与上述第1镜的上述多层反射膜对置的多层反射膜；以及光波导层，位于上述第1镜及上述第2镜之间，传输光；上述第1镜具有比上述第2镜高的光透射率，将入射到上述第1镜中的光的一部分向上述光波导层内导入；从上述第1镜入射到上述光波导层中的光的一部分被输入到上述第1波导；还具备使上述光波导层的折射率及厚度的至少一方变化的调整元件。

[项目24]

一种激光雷达系统，具备：项目1至22中任一项所述的光扫描设备；光检测器，检测从上述光扫描设备射出并从对象物反射的光；以及信号处理电路，基于上述光检测器的输出，生成距离分布数据。

[项目25]

一种光扫描设备，具备：波导阵列，包括在第1方向上排列、分别向与上述第1方向交叉的第2方向传输光的多个波导元件，该波导阵列将光从上述多个波导元件向与由上述第1及第2方向形成的平面交叉的第3方向射出；以及第1调整元件，使从上述多个波导元件射出的光的上述第3方向变化；上述多个波导元件分别具有：第1镜，具有与上述第3方向交叉的反射面，在上述第2方向上延伸；第2镜，具有与上述第1镜的上述反射面对置的反射面，在上述第2方向上延伸；以及光波导层，位于上述第1镜及上述第2镜之间，向上述第2方向传输光；上述第1镜具有比上述第2镜高的光透射率，将在上述光波导层内传输的光的一部分向上述光波导层的外部射出；上述第1调整元件通过使各波导元件的上述光波导层的折射率及厚度的至少一方变化，从而使从上述多个波导元件射出的光的上述第3方向变化。

[项目26]

如项目25所述的光扫描设备，当设向上述第3方向射出的光的波矢量的上述第2方向的成分为X成分，设上述第1方向的成分为Y成分时，上述第1调整元件通过使各波导元件的上述光波导层的上述折射率及上述厚度的至少一方变化，从而使上述波矢量的X成分变化；在向上述多个波导元件中的邻接的2个波导元件供给的光的相位差变化的情况下，上述波矢量的Y成分变化。

[项目27]

如项目25或26所述的光扫描设备，上述第1方向及上述第2方向正交。

[项目28]

如项目25～27中任一项所述的光扫描设备，上述多个波导元件在上述第1方向上等间隔地排列。

[项目29]

如项目25～28中任一项所述的光扫描设备，当设上述多个波导元件中的邻接的2个波导元件的上述第1方向上的中心间距离为p，设在各波导元件的上述光波导层中传输的光的自由空间中的中心波长为λ时，满足λ/2≤p≤λ/sin10°的关系。

[项目30]

如项目25～29中任一项所述的光扫描设备，上述第1及第2镜的至少一方包括电介体多层膜。

[项目31]

如项目25～30中任一项所述的光扫描设备，还具备：多个移相器，分别连接在上述多个波导元件上，并且分别包括波导，该波导直接或经由其他的波导与上述多个波导元件中的对应的1个波导元件的上述光波导层相连；以及第2调整元件，通过使从上述多个移相器向上述多个波导元件传输的光的相位的差分别变化，从而使从上述多个波导元件射出的光的上述第3方向变化。

[项目32]

如项目31所述的光扫描设备，各移相器的上述波导包含折射率对应于电压的施加或者温度的变化而变化的材料；上述第2调整元件通过向各移相器的上述波导施加电压或者使上述波导的温度变化，从而使上述波导内的折射率变化，并且使从上述多个移相器向上述多个波导元件传输的光的相位的差分别变化。

[项目33]

当设向上述第3方向传输的光的波矢量的上述第2方向的成分为X成分，设上述第1方向的成分为Y成分时，上述第1调整元件使上述波矢量的X成分变化；上述第2调整元件使上述波矢量的Y成分变化。

[项目34]

如项目31～33中任一项所述的光扫描设备，上述多个移相器相对于上述第2方向位于上述多个波导元件的两侧。

[项目35]

如项目31～34中任一项所述的光扫描设备，还具备：光源，射出自由空间中的波长为λ的光；光分路器，将来自上述光源的上述光分路而向上述多个移相器的上述波导导入。

[项目36]

如项目31～35中任一项所述的光扫描设备，上述多个移相器分别具有：第5镜，具有与上述第3方向交叉的反射面，沿上述第2方向延伸，连接至上述多个波导元件中的对应的1个波导元件的上述第1镜；以及第6镜，具有与上述第3镜的上述反射面对置的反射面，沿上述第2方向延伸，连接至上述多个波导元件中的对应的上述1个波导元件的上述第2镜；各移相器的上述波导与上述多个波导元件中的对应的上述1个波导元件的上述光波导直接相连；上述第5镜及第6镜的光透射率比上述第1镜的光透射率低。

[项目37]

如项目25～36中任一项所述的光扫描设备，各波导元件的上述光波导层包括在被施加了电压的情况下相对于在上述光波导层中传输的光的折射率变化的材料；上述第1调整元件具有夹着上述光波导层的一对电极，通过对上述一对电极施加电压，从而使上述光波导层的折射率变化。

[项目38]

如项目37所述的光扫描设备，各波导元件的上述光波导层包含半导体材料；在上述一对电极的一方或上述电极的上述一方与上述光波导层之间包含p型半导体；在上述一对电极的另一方或上述电极的上述另一方与上述光波导层之间包含n型半导体；上述第1调整元件通过对上述一对电极施加电压，从而向上述半导体材料注入载流子，并且使上述光波导层的折射率变化。

[项目39]

如项目37所述的光扫描设备，各波导元件的上述光波导层包含电光学材料；上述第1调整元件通过对上述一对电极施加电压，使上述电光学材料的折射率变化。

[项目40]

如项目37所述的光扫描设备，各波导元件的上述光波导层包含液晶材料；上述第1调整元件通过对上述一对电极施加电压，从而使上述液晶材料的折射率各向异性变化，并且使上述光波导层的折射率变化。

[项目41]

如项目25～36中任一项所述的光扫描设备，各波导元件的上述光波导层包含折射率随着温度变化而变化的热光学材料；上述第1调整元件具有夹着上述光波导层的一对电极，通过对上述一对电极施加电压而将上述热光学材料加热，从而使上述光波导层的折射率变化。

[项目42]

如项目25～36中任一项所述的光扫描设备，各波导元件的上述光波导层包含折射率随着温度变化而变化的热光学材料；上述第1调整元件具有与上述光波导层接触或被配置在上述光波导层的附近的加热器；通过由上述加热器将上述热光学材料加热，从而使上述光波导层的折射率变化。

[项目43]

如项目25～36中任一项所述的光扫描设备，各波导元件的上述光波导层包含气体或液体的材料；上述第1调整元件具有连接至各波导元件的上述第1镜及上述第2镜的至少一方的致动器；上述致动器通过使上述第1镜与上述第2镜的距离变化，从而使上述光波导层的厚度变化。

[项目44]

如项目43所述的光扫描设备，上述致动器具有一对电极；上述一对电极的一方被固定至上述第1镜；上述一对电极的另一方被固定至上述第2镜；通过对上述一对电极施加电压，从而使电极间产生静电力，并且使上述第1镜与上述第2镜的距离变化。

[项目45]

如项目43所述的光扫描设备，上述致动器包含压电材料，通过使上述压电材料变形，从而使上述第1镜与上述第2镜的距离变化。

[项目46]

如项目43所述的光扫描设备，上述致动器具有支承各波导元件的上述第1镜或上述第2镜的支承部件，通过使上述支承部件移动，从而使上述第1镜与上述第2镜的距离变化。

[项目47]

如项目43所述的光扫描设备，各波导元件的上述第1镜及上述第2镜的至少一方是1个板状的镜的一部分；上述致动器通过使上述板状的镜移动，从而使上述第1镜与上述第2镜的距离变化。

[项目48]

如项目25～46中任一项所述的光扫描设备，各波导元件的上述第1镜及上述第2镜的至少一方是1个板状的镜的一部分。

[项目49]

一种光接收设备，具备：波导阵列，包括在第1方向上排列、分别向与上述第1方向交叉的第2方向传输光的多个波导元件，将从与上述第1及第2方向的两者交叉的第3方向入射到上述多个波导元件的光向上述第2方向传输；以及第1调整元件，调整可接收的光的方向；上述多个波导元件分别具有：第1镜，具有与上述第3方向交叉的反射面，在上述第2方向上延伸；第2镜，具有与上述第1镜的上述反射面对置的反射面，在上述第2方向上延伸；以及光波导层，位于上述第1镜及上述第2镜之间，向上述第2方向传输光；上述第1调整元件通过使各波导元件的上述光波导层的折射率及厚度的至少一方变化，从而使可接收的光的方向变化。

[项目50]

如项目49所述的光接收设备，还具备：多个移相器，分别连接至上述多个波导元件，包括分别直接或经由其他的波导与上述多个波导元件的对应的1个波导元件的上述光波导层相连的波导；以及第2调整元件，通过使从上述多个波导元件穿过上述多个移相器而输出的光的相位的差分别变化，从而使可接收的光的方向变化。

[项目51]

如项目49或50所述的光接收设备，当设向上述多个波导元件入射的光的波矢量的上述第2方向的成分为X成分，设上述第1方向的成分为Y成分时，上述第1调整元件使可接收的光的波矢量的X成分变化，上述第2调整元件使可接收的光的波矢量的Y成分变化。

[项目52]

一种激光雷达(LiDAR)系统，具备：项目25～48中任一项所述的光扫描设备；光检测器，检测从上述光扫描设备射出并从对象物反射的光；以及信号处理电路，基于上述光检测器的输出生成距离分布数据。

本公开的实施方式的光扫描设备具备：第1波导；以及第2波导，与上述第1波导相连。上述第2波导具有：第1镜，具有多层反射膜；第2镜，具有与上述第1镜的上述多层反射膜对置的多层反射膜；以及光波导层，位于上述第1镜及上述第2镜之间，传输输入到上述第1波导中并在上述第1波导中传输的光。上述第1镜具有比上述第2镜高的光透射率，将在上述光波导层内传输的光的一部分向上述光波导层的外部射出。还具备通过使上述光波导层的折射率及厚度的至少一方变化从而使从上述第2波导射出的光的方向变化的调整元件。

上述技术方案中的“第2波导”相当于上述实施方式的“波导元件”。在本公开的实施方式中，在第2波导的前段设有折射率及厚度都被维持为一定的第1波导，光向第1波导输入。第1波导传输输入的光，并将其从第2波导的端面输入。第1波导和第2波导例如既可以端面彼此被直接连接，也可以在端面间有余隙。在本说明书中，所谓“第1波导与第2波导相连”，是指两者以在第1波导与第2波导之间能够进行光的收发的方式取位。“第1波导与第2波导相连”的形态，不仅包括第1波导和第2波导被直接连接(即接触)的形态，也包括两者经由与传输的光的波长相比足够短的余隙配置的形态。此外，在本公开中，所谓A对B“直接地相连”，是指A的某个部分与B的某个部分没有余隙地接触，以便能够在A与B之间进行光的收发。

根据上述结构，通过将第1波导设置在第2波导(波导元件)的前段，即使将向第1波导入射的光的入射角维持为一定，也能够抑制因扫描造成的耦合效率的下降(即能量的损失)。

进而，也可以在第1波导的前段设置第3波导。这样的第3波导与第1波导相连，将在第3波导中传输的光向第1波导输入。在一实施方式中，可以是，第3波导是全反射波导，第2波导是反射型波导。

在本公开中，所谓“光”，是指不仅包含可视光(波长是约400nm～约700nm)、还包含紫外线(波长是约10nm～约400nm)及红外线(波长是约700nm～约1mm)的电磁波。在本公开中，有将紫外线称作“紫外光”、将红外线称作“红外光”的情况。

在本公开中，所谓光的“扫描”，是指使光的方向变化。所谓“一维扫描”，是指使光的方向沿着与该方向交叉的方向直线地变化。所谓“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。

以下，更具体地说明本公开的实施方式。其中，有时将所需以上详细的说明省略。例如，有时将周知的事项的详细说明及对于实质上相同的结构的重复的说明省略。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容易。另外，发明者们为了本领域技术人员充分地理解本公开而提供附图及以下的说明，并不是要由它们限定权利要求书所记载的主題。在以下的说明中，对于相同或类似的构成要素附图相同的标号。

(实施方式)

图8是示意地表示本公开的例示性的实施方式的光扫描设备的构造的一部分的剖面图。该光扫描设备具备波导1和与第1波导相连的第2波导(波导元件)10。波导10具备具有多层反射膜的第1镜30、具有与第1镜30的多层反射膜对置的多层反射膜的第2镜40、和位于第1镜30及第2镜40之间的光波导层20。波导1使输入的光向导波方向传输。光波导层20使输入到波导1中、在波导1中传输的光传输。光波导层20使光向与波导1的导波方向相同的方向传输。第1镜30具有比第2镜40高的光透射率，将在光波导层20内传输的光的一部分向光波导层20的外部射出。虽然在图8中没有表示，但光扫描设备100还具备使光波导层20的折射率及厚度的至少一方变化的调整元件。光波导层20例如包含在被施加了电压的情况下对于在光波导层20中传输的光的折射率变化的材料。调整元件通过向光波导层20施加电压，使光波导层20的折射率变化，使从波导10射出的光的方向变化。

波导1具有对置的2个多层反射膜3、4，和被2个多层反射膜3、4夹着的光波导层2。波导1的多层反射膜3、4为了将导波光没有损失地传播，优选的是具有比波导10的光射出侧的多层反射膜(第1镜30)高的反射率(低的透射率)。由此，多层反射膜3、4的膜厚优选的是比第1镜30的膜厚大。波导1的折射率即波导1的光波导层2的折射率不变化，或变化与光波导层20的折射率不同的量。此外，光波导层2的厚度不变化，或变化与光波导层20的厚度不同的量。波导1与波导10的光波导层20直接相连。例如，波导1的光波导层2的端面被连接在波导10的光波导层20的端面上。该例中的多层反射膜3具有膜厚比邻接的部位薄(即反射率低)的部位3a。光从该部位3a(也称作“光输入部3a”)输入。通过这样从反射率较低的区域输入光，能够将光效率良好地导入到光波导层2中。光波导层2使入射到光输入部3a中的光传输，向波导10的光波导层20的端面输入。由此，能够使光从光波导层2向光波导层20传输，从镜30射出。

在波导10中，由于需要将光射出，所以第1镜30的多层反射膜的反射率比第2镜40的多层反射膜的反射率低。在波导1中，为了不使光射出，将多层反射膜3、4的反射率设计为与第2镜40的反射率相同程度的大小。

通过这样的构造，光扫描设备如后述那样，能够将光效率良好地从波导10射出。

图9是示意地表示光扫描设备的构造的另一例的剖面图。在该例中，波导1不具有多层反射膜3、4。波导1通过全反射使光传输。波导1在表面的一部分上具有光栅5。光经由光栅5被输入。在该例中，设有光栅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。在如该例那样没有多层反射膜3、4的情况下，设计为使导波角度θ_w1满足全反射条件。在此情况下，波导1的折射率也不变化或变化与光波导层20不同的量。此外，波导1的厚度即光波导层2的厚度不变化或变化与光波导层20的厚度不同的量。此外，波导1与波导10的光波导层20直接相连。此外，光波导层20使光向与波导1的导波方向相同的方向传输。

图10是示意地表示光扫描设备的构造的又一例的剖面图。该例中的光扫描设备还具备与波导1相连的波导1’。波导1是反射型波导，具有对置的2个多层反射膜3、4和其之间的光波导层2。另一方面，波导1’是通过全反射使光传输的全反射波导。波导1’的折射率不变化或变化与光波导层20不同的量。此外，波导1’的厚度，即，光波导层2’的厚度不变化或变化与光波导层20的厚度不同的量。此外，波导1’与波导10的光波导层20直接相连。此外，光波导层20使光向与波导1’的导波方向相同的方向传输。波导1’与图9的例子中的波导1同样，在表面的一部分上具有光栅5’。来自光源的光经由光栅5’被输入到波导1’内。在该例中，设有光栅5’的部位作为光输入部发挥功能。波导10的光波导层20被未图示的调整元件(调制元件)调制折射率或厚度。另一方面，关于波导1，没有这样的调制功能。为了抑制来自波导1的光的射出，波导1的反射镜(多层反射膜3、4)的反射率被设定为比波导10的第1镜30的反射率高。波导10的第1镜30的反射率被设定为比第2镜40的反射率低。通过这样的结构，输入到波导1’中的光在波导1’及波导1中传输而被向波导10输入。该光一边在波导10的光波导层20中进一步传输，一边经由第1镜30被向外部射出。

图11及图12A至图12C是在光被向波导1输入的结构中表示光向波导1的输入方法的例子的图。图11如图8所示的例子那样，表示光向被2个多层反射膜夹着的光波导层2的入射的一例。如图示那样，通过将光向多层反射膜的膜厚较薄的部位(反射率较低的部位)3a入射，能够将光效率良好地导入到光波导层2中。图12A表示如图9所示的例子那样、光经由设在波导1的表面上的光栅5被向波导1导入的例子。图12B表示光被从波导1的端面输入的例子。图12C表示光从设在波导1的表面上的激光源6经由该表面被输入的例子。图12C那样的结构例如在M.Lamponi et al.，“Low－Threshold Heterogeneously Integrated InP/SOI Lasers With a Double Adiabatic Taper Coupler”，IEEE PHOTONICS TECHNOLOGYLETTERS，VOL.24，NO.1，JANUARY 1，2012，pp 76－78.中公开。在本申请说明书中援用该文献的公开内容全部。根据以上的结构，能够使光效率良好地入射到波导1中。

图11至图12C所示的光的输入方法在使用图10所示的波导1’的结构中也都能够应用。在图10所示的例子中，在波导1’的表面的一部分上设有光栅5’，但也可以不设置光栅5’。例如能够将图12B或图12C所示的光的输入方法应用到波导1’中。在将图12B所示的光的输入方法应用到波导1’中的情况下，波导1’使从波导1’的端面入射的光传输，向波导1的端面输入。在将图12C所示的光的输入方法应用到波导1’中的情况下，光从设在波导1’的表面上的激光源经由该表面输入。波导1’使输入的光传输，向波导1的端面输入。此外，波导1’不需要是全反射波导，也可以是图11所示那样的反射型波导。

如图8、图9所示，设波导1的光波导层2的折射率为n_w1，设波导10的光波导层20的折射率为n_w2，设来自波导10的光的射出角为θ，设波导1中的导波光的反射角为θ_w1，设波导10中的导波光的反射角为θ_w2。此外，如图10所示，设波导1’的光波导层2’的折射率为n_w3，设波导1’中的导波光的反射角为θ_w3。在本实施方式中，为了从波导10将光向外部(例如，折射率1的空气层)取出，满足n_w2sinθ_w2＝sinθ<1。

<导波光耦合的原理>

以下，参照图8、图9，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内传输的光近似地考虑是光线。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(或光波导层2与外部介质的界面)处，光被完全反射。设波导1的光波导层2的厚度为d₁，设波导10的光波导层20的厚度为d₂。在波导1、10的各自中，传播光存在的条件用以下的式(5)、(6)表示。

2d₁n_w1cosθ_w1＝mλ (5)

2d₂n_w2cosθ_w2＝mλ (6)

这里，λ是光的波长，m是1以上的整数。

如果关于波导1、10的界面考虑斯涅尔的法则，则式(7)成立。

n_w1sin(90°－θ_w1)＝n_w2sin(90°－θ_w2) (7)

如果将式(7)变形，则能得到以下的式(8)。

n_w1cosθ_w1＝n_w2cosθ_w2 (8)

当式(5)及(8)成立时，在d₁与d₂相等的情况下，在n_w2变化的情况下，式(6)也成立。即，在光波导层20的折射率变化的情况下，光从光波导层2向光波导层20也效率良好地传输。

在上式的导出时，为了简单而将光考虑为光线，但实际上由于厚度d₁、d₂是与波长λ相同程度(即使较长也为波长的10倍以下)，所以导波光具有波动性。因而，严格地讲，作为上述折射率n_w1、n_w2，不是光波导层2、20的材料的折射率，而需要考虑有效折射率。此外，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，或不严格地满足式(8)的情况下，光也能够从光波导层2向光波导层20被导波。这是因为，从光波导层2向光波导层20的光的传递经由近场来进行的。即，如果有光波导层2的电场分布与光波导层20中的电场分布的重叠，则光被从光波导层2向光波导层20传递。

以上的讨论关于图10所示的例子中的波导1’与波导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，本申请发明者们使条件进行各种各样的改变，计算出光的耦合效率。在计算中，使用Photon Design公司的FIMMWAVE。

首先，如图8所示，关于波导1、10都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传输的光的模的次数是m＝2，但只要波导1和波导10的光的模的次数相同，光就通过同样的原理而耦合。因此，光的模的次数并不限于m＝2。

图13表示将n_w1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依存性。横轴是将d₂用假定导波光为光线的情况下的截止(cutoff)膜厚d_cutoff(＝mλ/(2n_w2))除的值。纵轴是将峰值标准化为1的耦合效率。从满足导波光不再能够存在的截止条件的下限值到光被向外部射出的上限值而进行计算。此外，对n_w2是1.3、1.6、1.9、2.2、2.5的各自的情况进行了计算。波导1的厚度方向的中心与波导10的厚度方向的中心相同。根据图13所示的结果可知，d₂/d_cutoff越大则耦合效率越高。随着d₂/d_cutoff变小，不再能够存在模，耦合效率下降。

图14表示将n_w1变更为3.48、将d₁变更为0.5μm而用同样的方法进行的计算的结果。在此情况下，虽然从波导1向波导10传输的光的模的次数也是m＝2，但如上述那样，光的模的次数并不限于m＝2。根据图14可知，d₂/d_cutoff越大则耦合效率越高，随着d₂/d_cutoff变小，不再能够存在模，耦合效率下降。

在图13及图14中，在d₂/d_cutoff为比1低的值下也存在模(即导波光耦合)是因为，起因于被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。关于d₂的上限，是光不再被射出到外部的值。该值如果将导波光考虑为光线，假定各波导的上下的多层反射膜使光在与波导的界面中完全反射，则是导波光的反射角相对于大气为全反射角度时的d₂。此时，满足以下的式(9)。

n_w2sinθ_w2＝1 (9)

根据式(6)、式(9)及d_cutoff＝mλ/(2n_w2)，以下的式(10)成立。

起因于被多层反射膜反射时的光的渗出，导波光的有效折射率变得比n_w2低。因此，d₂的上限值变得比式(6)大。

在本实施方式的结构中，优选的是耦合效率相比图6B所示的结构变高。例如如果施加耦合效率是比图7所示的峰值高的7％以上的条件，则根据图13、14的结果，只要是

0.95×d_cutoff<d₂<1.5×d_cutoff

(0.95×mλ/(2n_w2)<d₂<1.5×mλ/2n_w2))

就可以。

图15是设横轴为d₂/d_cutoff、设纵轴为折射率比(|n_w1－n_w2|/n_w1)、分类为耦合效率为0.5以上的情况和耦合效率不到0.5的情况的图。在施加耦合效率为0.5(50％)以上的条件的情况下，只要折射率比0.4小、0.95×d_cutoff<d₂<1.5×d_cutoff就可以。

在本实施方式中，波导1的折射率n_w1比波导10的折射率n_w2大(n_w1>n_w2)。但是，本公开并不限定于这样的结构，也可以是n_w1≤n_w2。

图16是表示波导1的光波导层2的厚度方向的中心与波导10的光波导层20的厚度方向的中心错开了Δz的结构的图。Δz的正负如图16所示，设波导10的光波导层20的厚度方向的中心线处于比波导1的光波导层2的厚度方向的中心线更靠光放射侧(第1镜30侧)时为正。设波导1的光波导层2的厚度d1与波导10的光波导层20的厚度d2的差(绝对值)为Δd。当Δz＝Δd/2时，波导1的光波导层2的下部(与光放射侧相反侧)与波导10的光波导层20的下部的Z方向的位置一致。

图17是表示从波导1向波导10的光的耦合效率的Δz依存性的图。图17的结果设n_w1为2.2、设波长λ为1.55μm、设n_w2为2.2、设Δd为0.12μm，通过改变Δz计算耦合效率来得到。图17所示的耦合效率被用Δz＝0的情况下的值标准化。在光波导层2、20的厚度方向的中心线在Z方向上错开的情况下，耦合效率与Δz为零(0)的情况低。但是，在－Δd/2<Δz<Δd/2的情况下，成为Δz是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9所示的例子那样，波导1通过全反射对光进行导波的结构，基本的原理也相同，在波导1、10中传输的导波光能够相互耦合。关于图9所示的结构，也通过计算求出了从波导1向波导10的导波光的耦合效率的d₂依存性。图18A表示将n_w1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依存性。图18B表示将n_w1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依存性。与上述例同样，在施加耦合效率为7％以上的条件的情况下，只要是

0.95×d_cutoff<d2<1.5×d_cutoff

(即，0.95×mλ/(2n_w2)<d2<1.5×mλ/2n_w2))

就可以。

此外，在施加耦合效率为50％以上的条件的情况下，只要是1.2×d_cutoff<d2<1.5×d_cutoff(即、1.2×mλ/2n_w2)<d2<1.5×mλ/n_w2))就可以。

在图9的结构中，既可以是n_w1>n_w2，也可以是n_w1≤n_w2。

如上述那样，从波导1向波导10传输的光的模的次数并不限定于m＝2。例如，如果在n_w1＝1.883、d₁＝0.3μm、n_w2＝1.6、d₂＝0.55μm的条件下使用图19A那样的模型计算，则如图19B所示，可知光与波导耦合。

接着，研究在波导1与波导10之间有余隙的情况。

图20A是表示本实施方式的变形例的剖面图。在该例中，波导10的光波导层20经由余隙(例如空隙)与波导1相连。这样，即使是在波导1与波导10之间有余隙的情况，由于光经由导波模的近场耦合，所以只要余隙宽度(X方向的宽度)相比波长λ充分小，则导波光在与波导1、10之间耦合。这如图6A或图6B那样，与和自由空间中的从传播光向导波模式耦合的方法不同。

图20B是表示耦合效率的余隙宽度依存性的计算结果的图。图20B中的耦合效率是将余隙为0μm时的值标准化为1的值。在计算中，设n_w1为3.48，设n_w2为1.5，设d₁为0.9μm，设d₂为1.1μm，设余隙的折射率为1，设波长λ为1.55μm。根据图20B，被标准化后的耦合效率为50％以上，是余隙为0.24μm以下的情况。如果考虑余隙是空气以外的介质的情况、以及波长λ与1.55μm不同的情况，则只要余隙的光学长(余隙的折射率与余隙宽度的积)是λ/6.5以下，标准化的耦合效率就为50％以上。该余隙的光学长不依存于波导1、10的参数。

如图10所示的例子那样，在光从波导1’向波导1输入的形态下也同样，也可以在波导1’的端面与波导1的端面之间有余隙。如上述那样，余隙的光学长(余隙的折射率与余隙宽度的积)例如被设定为λ/6.5以下。

接着，说明使用多组本实施方式的波导1及波导10的组合(在本公开中称作“波导单元”)实现二维的光的扫描的结构。能够执行二维扫描的光扫描设备具备在第1方向上排列的多个波导单元和控制各波导单元的调整元件(例如致动器及控制电路的组合)。调整元件使各波导单元中的波导10的光波导层20的折射率及厚度的至少一方变化。由此，能够使从各波导10射出的光的方向变化。此外，通过向多个波导单元中的波导10输入适当地调整了相位差的光，如参照图1说明那样，能够进行光的二维扫描。以下，更详细地说明用来实现二维扫描的实施方式。

<二维扫描的动作原理>

在沿一方向排列有多个波导元件(第2波导)10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21A是表示光在与波导阵列的射出面垂直的方向上射出的波导阵列的截面的图。在图21A中，还记载了在各波导元件10中传输的光的相移量。这里，相移量是以在左端的波导元件10中传输的光的相位为基准的值。本实施方式的波导阵列包括以等间隔排列的多个波导元件10。在图21A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形成的波面。箭头表示从波导阵列射出的光的方向(即，波矢量的方向)。在图21A的例子中，在各波导元件10的光波导层20中传输的光的相位都相同。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延伸的方向(X方向)的两者垂直的方向(Z方向)射出。

图21B是表示将光向不同于与波导阵列的射出面垂直的方向的方向射出的波导阵列的截面的图。在图21B的例子中，在多个波导元件10的光波导层20中传输的光的相位在排列方向上各相差一定量

在此情况下，光向与Z方向不同的方向射出。通过使该

变化，能够使光的波矢量的Y方向的成分变化。

从波导阵列向外部(这里假设为空气)射出的光的方向可以如以下这样定量地讨论。

图22是示意地表示三维空间中的波导阵列的立体图。在由相互正交的X、Y及Z方向定义的三维空间中，设光向空气射出的区域与波导阵列的边界面为Z＝z₀。该边界面包括多个波导元件10各自的射出面。在Z<z₀中，在Y方向上以等间隔排列有多个波导元件10，多个波导元件10分别在X方向上延伸。在Z>z₀时，向空气射出的光的电场矢量E(x，y，z)用以下的式(11)表示。

[数式5]

E(x，y，z)＝E₀exp[-j(k_xx+k_yy+k_zz)] (11)

其中，E₀是电场的振幅矢量，k_x、k_y及k_z分别是X、Y及Z方向上的波数(wavenumber)，j是虚数单位。在此情况下，向空气射出的光的方向与在图22中用粗箭头表示的波矢量(k_x，k_y，k_z)平行。波矢量的大小用以下的式(12)表示。

[数式6]

根据Z＝z₀时的电场的边界条件，与边界面平行的波矢量成分k_x及k_y分别与波导阵列中的光的X方向及Y方向上的波数一致。这与式(2)的斯涅尔的法则同样，在边界面中，相当于空气侧的光具有的面方向的波长与波导阵列侧的光具有的面方向的波长一致的条件。

k_x与在沿X方向延伸的波导元件10的光波导层20中传输的光的波数相等。

在上述图2所示的波导元件10中，将k_x使用式(2)及式(3)，用以下的式(13)表示。

[数式7]

k_y根据邻接的2个波导元件10之间的光的相位差导出。设在Y方向上等间隔地排列的N条波导元件10的各自的Y方向的中心为y_q(q＝0，1，2，…，N-1)，设邻接的2个波导元件10之间的距离(中心间距离)为p。此时，向空气射出的光的电场矢量(式(11))在边界面内(Z＝z₀)的y_q及y_q+1中满足以下的式(14)的关系。

[数式8]

E(x，y_q+1，z₀)＝exp[-jk_y(y_q+1-y_q)]E(x，y_q，z₀)＝exp[-jk_yp]E(x，y_q，z₀) (14)

如果进行设定以使任意的邻接的2个波导元件10的相位差成为

(一定)，则k_y由以下的式(15)表示。

[数式9]

在此情况下，y_q处的光的相位成为

即，相位

沿着Y方向为一定

或者成比例增加

或减少

在沿Y方向排列的波导元件10不是等间隔的情况下，只要进行设定以使得相对于希望的k_y，y_q及y_q+1处的相位差为

就可以。在此情况下，y_q处的光的相位成为

如果使用从式(14)及式(15)分别得到的k_x及k_y，则根据式(12)导出k_z。由此，能得到光的射出方向(波矢量的方向)。

例如，如图22所示，设射出光的波矢量(k_x，k_y，k_z)与将该波矢量投影到YZ平面上的矢量(0，k_y，k_z)所成的角度为θ。θ是波矢量与YZ平面所成的角度。将θ使用式(12)及式(13)，由以下的式(16)表示。

[数式10]

式(16)与限定于射出光与XZ平面平行的情况时的式(3)完全相同。根据式(16)可知，波矢量的X成分依存于光的波长、光波导层20的折射率及光波导层20的厚度而变化。

同样，如图22所示，设射出光(0次光)的波矢量(k_x，k_y，k_z)与将该波矢量投影到XZ平面上的矢量(k_x，0，k_z)所成的角度为α₀。α₀是波矢量与XZ平面所成的角度。将α₀使用式(12)及式(13)，由以下的式(17)表示。

[数式11]

根据式(17)可知，光的波矢量的Y成分随着光的相位差

而变化。

这样，也可以代替波矢量(k_x，k_y，k_z)而使用从式(16)及式(17)分别得到的θ及α₀来确定光的射出方向。在此情况下，表示光的射出方向的单位矢量可以表示为(sinθ，sinα₀，(1－sin²α₀－sin²θ)^1/2)。在光射出中，这些矢量成分必须都是实数，所以满足sin²α₀+sin²θ≤1。根据sin²α₀≤1－sin²θ＝cos²θ可知，射出光在满足－cosθ≤sinα₀≤cosθ的角度范围中变化。由于－1≤sinα₀≤1，所以在θ＝0°时，射出光在－90°≤α₀≤90°的角度范围中变化。但是，如果θ增加，则cosθ变小，所以α₀的角度范围变窄。在θ＝90°(cosθ＝0)时，仅在α₀＝0°时光被射出。

本实施方式的通过光的二维扫描只要至少有2条以上波导元件10就能够实现。但是，在波导元件10的条数较少的情况下，上述α₀的扩展角度Δα变大。如果波导元件10的条数增加，则Δα变小。这可以如以下这样说明。为了简单，在图22中考虑θ＝0°的情况。即，考虑光的射出方向与YZ平面平行的情况。

假设从N条(N是2以上的整数)的波导元件10分别射出具有相同的射出强度及上述的相位

的光。此时，存储N条波导元件10射出的合计的光(电场)的振幅分布的绝对值在远场中与由以下的式(18)表示的F(u)成比例。

[数式12]

其中，u由以下的式(19)表示。

[数式13]

α是在YZ平面中将观测点及原点连结的直线与Z轴所成的角度。α₀满足式(17)。式(18)的F(u)在u＝0(α＝α₀)时为N(最大)，在u＝±2π/N时为0。如果将满足u＝－2π/N及2π/N的角度分别设为α₁及α₂(α₁<α₀<α₂)，则α₀的扩展角度成为Δα＝α₂－α₁。－2π/N<u<2π/N(α₁<α<α₂)的范围的峰值通常被称作主波瓣。在主波瓣的两侧存在被称作侧波瓣的多个较小的峰值。如果将主波瓣的宽度Δu＝4π/N与从式(19)得到的Δu＝2πpΔ(sinα)/λ比较，则为Δ(sinα)＝2λ/(Np)。如果Δα较小，则为Δ(sinα)＝sinα₂－sinα₁＝[(sinα₂－sinα₁)/(α₂－α₁)]Δα≒[d(sinα)/dα]_α＝α0Δα＝cosα₀Δα。因此，扩展角度由以下的式(20)表示。

[数式14]

因而，波导元件10的条数越多，越能够使扩展角度Δα变小，在远方也能够实现高精细的光扫描。同样的讨论在图22中对于θ≠0°的情况也能够应用。

<从波导阵列射出的衍射光>

从波导阵列，除了0次光以外还能够射出高次的衍射光。为了简单，考虑在图22中θ＝0°的情况。即，衍射光的射出方向与YZ平面平行。

图23A是表示在p比λ大的情况下从波导阵列射出衍射光的状况的示意图。在此情况下，如果没有相移(α₀＝0°)，则向图23A所示的实线箭头的方向射出0次光及±1次光(根据p的大小，还能够射出更高次的衍射光)。如果从该状态赋予相移(α₀≠0°)，则如图23A所示的虚线箭头那样，0次光及±1次光的射出角度向相同的旋转方向变化。虽然也能够使用±1次光那样的高次光进行束扫描，但在更简单地构成设备的情况下，仅使用0次光。为了避免0次光的增益减小，也可以通过使邻接的2个波导元件10之间的距离p比λ小，来抑制高次光的射出。即使是p>λ，也可以通过将高次光在物理上阻断而仅使用0次光。

图23B是表示在p比λ小的情况下从波导阵列射出衍射光的状况的示意图。在此情况下，如果没有相移(α₀＝0°)，则由于衍射角度超过90度，所以不存在高次的衍射光，仅0次光向前方射出。但是，在p是与λ接近的值的情况下，如果赋予相移(α₀≠0°)，则有时随着射出角度的变化而射出±1次光。

图23C是表示在p≒λ/2的情况下从波导阵列射出衍射光的状况的示意图。在此情况下，即使赋予相移(α₀≠0°)，也不射出±1次光，或者即使射出也以相当大的角度射出。在p<λ/2的情况下，即使赋予相移，也不会射出高次的光。但是，也不特别有因使p进一步变小带来的益处。由此，p例如可以设定为λ/2以上。

图23A至图23C中的向空气射出的0次光及±1次光的关系可以如以下这样定量地说明。式(18)的F(u)由于是F(u)＝F(u+2π)，所以是2π的周期函数。当u＝±2mπ时，为F(u)＝N(最大)。此时，以满足u＝±2mπ的射出角度α射出±m次光。将u＝±2mπ(m≠0)附近的峰值(峰值宽度为Δu＝4π/N)称作光栅波瓣。

如果仅考虑高次光中的±1次光(u＝±2π)，则±1次光的射出角度α±满足以下的式(21)。

[数式15]

根据不射出+1次光的条件sinα₊>1，得到p<λ/(1―sinα₀)。同样，根据不射出－1次光的条件sinα_－<－1，得到p<λ/(1+sinα₀)。

对于射出角度α₀(>0)的0次光是否射出±1次光的条件如以下这样分类。在p≧λ/(1―sinα₀)的情况下，射出±1次光的两者。在λ/(1+sinα₀)≤p<λ/(1―sinα₀)的情况下，不射出+1次光但射出－1次光。在p<λ/(1+sinα₀)的情况下，±1次光都不被射出。特别是，如果满足p<λ/(1+sinα₀)，则在图22中在θ≠0°的情况下也不射出±1次光。例如，为了在不射出±1次光的情况下达成单侧10度以上的扫描，作为α₀＝10°，只要满足p≤λ/(1+sin10°)≒0.85λ的关系就可以。如果与对于与p有关的上述下限的条件组合，则只要满足λ/2≤p≤λ/(1+sin10°)就可以。

但是，为了满足不射出±1次光的条件，需要使p非常小。这使波导阵列的制作变得困难。所以，考虑不论±1次光的有无，都将0次光在0°<α₀<α_max的角度范围中扫描。其中，假设±1次光在该角度范围中不存在。为了满足该条件，在α₀＝0°时，+1次光的射出角度必须是α₊≧α_max(即，sinα₊＝(λ/p)≧sinα_max)，在α₀＝α_max时，－1次光的射出角度必须是α_－≤0(即，sinα_－＝sinα_max－(λ/p)≤0)。根据这些限制，得到p≤λ/sinα_max。

根据上述讨论，在扫描的角度范围中不存在±1次光的情况下的0次光的射出角度α₀的最大值α_max满足以下的式(22)。

[数式16]

例如，在扫描的角度范围中不存在±1次光的情况下，为了达成单侧10度以上的扫描，作为α_max＝10°，只要满足p≤λ/sin10°≒5.76λ的关系就可以。如果与对于与p有关的上述下限的条件组合，则可以满足λ/2≤p≤λ/sin10°。由于该p的上限(p≒5.76λ)与不射出±1次光的情况下的上限(p≒0.85λ)相比足够大，所以波导阵列的制作比较容易。这里，在使用的光不是单一波长的光的情况下，设使用的光的中心波长为λ。

因为以上，为了对更大的角度范围进行扫描，需要使波导间的距离p变小。另一方面，为了在p较小的情况下使式(20)中的射出光的扩展角度Δα变小，需要增加波导阵列的条数。波导阵列的条数根据用途及被要求的性能而适当决定。波导阵列的条数例如也可以是16条以上，根据用途可以是100条以上。

<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，只要在将光向波导元件10导入的前段，导入使光的相位变化的移相器就可以。本实施方式的光扫描设备100具备分别连接在多个波导元件10上的多个移相器、和调整在各移相器中传输的光的相位的第2调整元件。各移相器包括直接或经由其他的波导与多个波导元件10的对应的1个中的光波导层20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传输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(第3方向D3)变化。在以下的说明中，与波导阵列同样，有时将排列的多个移相器称作“移相器阵列”。

图24是表示移相器80直接连接在波导元件10上的结构的例子的示意图。在图24中，由虚线框包围的部分相当于移相器80。该移相器80具有对置的一对镜(第5镜30a及第6镜40a，以下有时简称作镜)、和设在镜30a与镜40a之间的波导20a。该例中的波导20a由与波导元件10的光波导层20共用的部件构成，与光波导层20直接相连。同样，镜40a也由与波导元件10的镜40共用的部件构成，连接在镜40上。镜30a具有比波导元件10的镜30低的透射率(高的反射率)。镜30a连接在镜30上。在移相器80中，为了不将光放射，镜30a的透射率被设计为与镜40、40a同样的较低的值。即，第5镜30a和第6镜40a的光透射率比第1镜30的光透射率低。上述的波导1或1’也可以也作为移相器发挥功能。

图25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25所示的例子中，全部的移相器80具有相同的传输特性，全部的波导元件10具有相同的传输特性。各个移相器80及各个波导元件10既可以是相同的长度，也可以长度不同。在各个移相器80的长度相等的情况下，只要用驱动电压调整各自的相移量就可以。此外，通过做成使各个移相器80的长度以等间距变化的构造，也能够以相同的驱动电压带来等间距的相移。进而，该光扫描设备100还具备将光分路而向多个移相器80供给的光分路器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25中的直线的箭头表示光的输入。通过分别独立地控制分别设置的第1驱动电路110和第2驱动电路210，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1个要素发挥功能，第2驱动电路210作为第2调整元件的1个要素发挥功能。

第1驱动电路110如后述那样，通过使各波导元件10的光波导层20的折射率或厚度变化(调制)，使从光波导层20射出的光的角度变化。第2驱动电路210如后述那样，通过使各移相器80的波导20a的折射率变化，使在波导20a的内部传输的光的相位变化。光分路器90既可以由通过全反射来传输光的电介体波导构成，也可以由与波导元件10同样的反射型波导构成。

另外，也可以在对由光分路器90分路后的各个光控制相位后，将各个光向移相器80导入。在该相位控制中，例如可以使用通过调整到移相器80的波导的长度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同样的功能的能够用电信号控制的移相器。通过这样的方法，例如也可以在光向移相器80导入之前调整相位，以向全部的移相器80供给等相位的光。通过这样的调整，能够使由第2驱动电路210进行的各移相器80的控制变得简单。

图26是示意地表示移相器80的波导与波导元件10的光波导层20经由其他的波导85相连的结构的例子的图。其他的波导85也可以是上述的某个波导1。此外，其他的波导85也可以是图10所示的波导1及1’。各移相器80既可以具有与图24所示的移相器80相同的结构，也可以具有不同的结构。在图26中，将移相器80使用表示相移量的符号

简单地表现。在以后的图中有时使用同样的表现。在移相器80中，可以采用利用全反射使光传输的电介体波导。在此情况下，不需要图24所示那样的镜30a及40a。

图27是表示在光分路器90中插入了以级联状排列的多个移相器80的结构例的图。在该例中，在光分路器90的路径的途中连接着多个移相器80。各移相器80对传输的光赋予一定的相移量

通过使各个移相器80给传输光带来的相移量成为一定，邻接的2个波导元件10之间的相位差成为相等。因而，第2调整元件能够向全部的移相器80发送共同的相位控制信号。因此，有结构变得简单的优点。

为了使光在光分路器90、移相器80及波导元件10等之间有效率地传输，可以利用电介体波导。在电介体波导中，可以使用具有比周围的材料高的折射率的、光的吸收较少的光学材料。例如，可以使用Si、GaAs、GaN、SiO₂、TiO₂、Ta₂O₅、AlN、SiN等的材料。此外，为了使光从光分路器90向波导元件10传输，也可以使用上述的某个波导1。此外，为了使光从光分路器90向波导元件10传输，也可以使用图10所示的波导1及1’。

在移相器80中，为了对光赋予相位差，需要改变光路长的机构。为了改变光路长，在本实施方式中，将移相器80的波导的折射率调制。由此，能够调整从邻接的2个移相器80向波导元件10供给的光的相位差。更具体地讲，通过进行移相器80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在后面叙述。

<第1调整元件的例>

接着，说明调整波导元件10的光波导层20的折射率或厚度的第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28A是示意地表示第1调整元件60(以下，有时简称作调整元件)的结构的一例的立体图。在图28A所示的例子中，在波导元件10中装入有具有一对电极62的调整元件60。光波导层20被一对电极62夹着。光波导层20及一对电极62被设置在第1镜30与第2镜40之间。光波导层20的侧面(与XZ面平行的表面)的整体接触在电极62上。光波导层20包含在被施加了电压的情况下相对于在光波导层20中传输的光的折射率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、和连接在布线64上的电源66。通过将电源66开启而经由布线64向一对电极62施加电压，能够将光波导层20的折射率调制。因此，也可以将调整元件60称作折射率调制元件。

图28B是示意地表示第1调整元件60的另一结构例的立体图。在该例中，仅光波导层20的侧面的一部分接触在电极62上。除此以外的点与图28A所示的结构是相同的。这样，即使是使光波导层20的折射率部分地变化的结构，也能够使射出光的方向变化。

图28C是示意地表示第1调整元件60的又一结构例的立体图。在该例中，一对电极62具有与镜30及40的反射面大致平行的层状的形状。一方的电极62被夹在第1镜30与光波导层20之间。另一方的电极62被夹在第2镜40与光波导层20之间。在采用这样的结构的情况下，在电极62中可以使用透明电极。根据这样的结构，有制造比较容易的优点。

在图28A至图28C所示的例子中，各波导元件10的光波导层20包含在被施加了电压的情况下相对于在光波导层20中传输的光的折射率变化的材料。第1调整元件60具有夹着光波导层20的一对电极62，通过向一对电极62施加电压，使光波导层20的折射率变化。电压的施加可以由上述第1驱动电路110进行。

这里，说明能够在各构成要素中使用的材料的例子。

在镜30、40、30a及40a的材料中，例如可以使用由电介体形成的多层膜。使用多层膜的镜例如可以通过周期性地形成分别具有1/4波长的光学厚度的折射率不同的多个膜来制作。根据这样的多层膜镜，能够得到较高的反射率。作为膜的材料，例如可以使用SiO₂、TiO₂、Ta₂O₅、Si、SiN等。各镜并不限于多层膜镜，也可以由Ag、Al等的金属形成。

在电极62及布线64中，可以利用具有导电性的各种各样的材料。例如，可以使用Ag、Cu、Au、Al、Pt、Ta、W、Ti、Rh、Ru、Ni、Mo、Cr、Pd等的金属材料，或ITO、氧化锡、氧化锌、IZO(注册商标)、SRO等的无机化合物，或PEDOT、聚苯胺等的导电性高分子等的导电性材料。

在光波导层20的材料中，可以利用电介体、半导体、电光学材料、液晶分子等的各种各样的透光性的材料。作为电介体，例如可以举出SiO₂、TiO₂、Ta₂O₅、SiN、AlN。作为半导体材料，例如可以举出Si类、GaAs类、GaN类的材料。作为电光学材料，例如可以举出铌酸锂(LiNbO₃)、钛酸钡(BaTiO₃)、钽酸锂(LiTaO₃)、氧化锌(ZnO)、锆钛酸铅镧(PLZT)、钽酸铌酸钾(KTN)等。

在调制光波导层20的折射率的方法中，例如有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。以下，说明各方法的例子。

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，使用将掺杂浓度较低的半导体用p型半导体及n型半导体夹入的构造，通过向半导体中注入载流子来调制折射率。在该结构中，各波导元件10的光波导层20包含半导体材料。可以是一对电极62的一方包含p型半导体，另一方包含n型半导体。第1调整元件60通过向一对电极62施加电压，向半导体材料注入载流子，使光波导层20的折射率变化。只要将光波导层20用无掺杂或低掺杂浓度的半导体制作并以与其接触的方式设置p型半导体及n型半导体就可以。也可以做成以p型半导体及n型半导体与低掺杂浓度的半导体接触的方式配置，进而导电性材料接触在p型半导体及n型半导体上那样的复合性的结构。例如，如果对Si注入10²⁰cm^-3左右的载流子，则Si的折射率变化0.1左右(例如，参照“Free charge carrierinduced refractive index modulation of crystalline Silicon”7^thIEEEInternational Conference on Group IV Photonics，P102—104、1－3Sept.2010)。在采用该方法的情况下，作为图28A至图28C中的一对电极62的材料，可以使用p型半导体及n型半导体。或者，一对电极62也可以由金属构成，在电极62与光波导层20之间的层或光波导层20自身中包含p型或n型半导体。

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，如果作为电光学材料而使用KTN，则能够得到较大的电光学效应。由于KTN在比从四方晶向立方晶的相变温度稍高的温度下介电常数显著地上升，所以能够利用该效应。例如，根据“Low－Driving－Voltage Electro－Optic Modulator With Novel KTa1－xNbxO3 Crystal Waveguides”Jpn.J.Appl.Phys.，Vol.43，No.8B(2004)，对于波长1.55μm的光能得到电光学常数g＝4.8×10^－15m²/V²。由此，如果施加例如2kV/mm的电场，则折射率变化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的光波导层20包含KTN等的电光学材料。第1调整元件60通过向一对电极62施加电压，使电光学材料的折射率变化。

在利用液晶的双折射效应的方法中，通过将包含液晶材料的光波导层20用电极62驱动，能够使液晶的折射率各向异性变化。由此，能够对相对于在光波导层20中传输的光的折射率进行调制。由于液晶通常具有0.1～0.2左右的双折射率差，所以通过用电场改变液晶的取向方向，能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的光波导层20包含液晶材料。第1调整元件60通过向一对电极62施加电压，使液晶材料的折射率各向异性变化，使光波导层20的折射率变化。

热光学效应是折射率随着材料的温度变化而变化的效应。为了进行基于热光学效应的驱动，也可以通过将包含热光学材料的光波导层20加热来调制折射率。

图29是表示将包括由具有较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组合的结构的例子的图。加热器68可以配置到光波导层20的附近。通过将电源66开启而经由包含导电性材料的布线64对加热器68施加电压，能够进行加热。也可以使加热器68接触在光波导层20上。在本结构例中，各波导元件10的光波导层20包含折射率随着温度变化而变化的热光学材料。第1调整元件60具有与光波导层20接触或配置在光波导层20的附近的加热器68。第1调整元件60通过用加热器68将热光学材料加热，使光波导层20的折射率变化。

也可以将光波导层20自身用高电阻材料制作，通过将光波导层20直接用一对电极62夹着并施加电压来加热。在此情况下，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通过向一对电极62施加电压而将光波导层20中的热光学材料(例如高电阻材料)加热，使光波导层20的折射率变化。

作为在加热器68或光波导层20中使用的高电阻，可以使用半导体或电阻率较大的金属材料。作为半导体，例如可以使用Si、GaAs或GaN等。此外，作为电阻率较高的金属，可以使用铁、镍、铜、锰、铬、铝、银、金、铂或将这些多种材料组合的合金等。例如，Si的对于波长1500nm的光的折射率的温度依存性dn/dT是1.87×10^－4(K^－1)(参照“Temperature－dependent refractive index of silicon and germanium”，Proc.SPIE 6273，OptomechanicalTechnologies for Astronomy，62732J)。因而，如果将温度改变500°，则能够使折射率变化0.1左右。如果在光波导层20的附近设置加热器68并局部性地加热，则即使是500°这样较大的温度变化也能够比较高速地进行。

由载流子注入带来的折射率变化的响应速度根据载流子的寿命决定。通常，由于载流子寿命是纳秒(ns)的量级，所以能得到100MHz～1GHz左右的响应速度。

在使用电光学材料的情况下，通过施加电场引起电子的分极，发生折射率变化。引起分极的速度通常非常高速，在LiNbO₃、LiTaO₃等的材料中响应时间是飞秒(fs)量级，所以能够进行超过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。通过局部地仅将波导附近加热，能得到急剧的温度上升。此外，如果在局部地温度上升的状态下将加热器切断，则通过向周边散热，能够急剧地降低温度。较快者能得到100KHz左右的响应速度。

在以上的例子中，第1调整元件60通过使各光波导层20的折射率同时变化一定的值，使射出光的波矢量的X成分变化。在折射率调制中，其调制量依存于材料的特性，为了得到较大的调制量，需要施加较高的电场或使液晶取向。另一方面，从波导元件10射出的光的方向也依存于镜30与镜40之间的距离。因而，也可以通过改变镜30与镜40之间的距离来使光波导层20的厚度变化。以下，说明使光波导层20的厚度变化的结构的例子。

为了改变光波导层20的厚度，光波导层20例如可以由气体或液体等的容易变形的材料构成。通过使夹着光波导层20的镜30及40的至少一方移动，能够使光波导层20的厚度变化。此时，为了保持上下的镜30与镜40之间的平行度，可以采用使镜30或40的变形成为最小限度那样的结构。

图30是表示用由容易变形的材料构成的支承部件70保持着镜30的结构例的图。支承部件70可以包括由与镜30相比相对容易变形的厚度较薄的部件或较细的框架。在该例中，第1调整元件具有连接在各波导元件10的第1镜30上的致动器。致动器通过使第1镜30与第2镜40的距离变化，使光波导层20的厚度变化。另外，致动器可以连接在第1镜30及第2镜40的至少一方上。作为将镜30驱动的致动器，例如可以使用利用静电力、电磁感应、压电材料、形状记忆合金或热的各种各样的致动器。

在利用静电力的结构中，第1调整元件中的致动器利用由静电力产生的电极间的引力或斥力使镜30及/或40移动。以下，说明这样的结构的一些例子。

图31是表示通过在电极间发生的静电力使镜30及/或40移动的结构的一例的图。在该例中，在镜30与光波导层20之间及镜40与光波导层20之间，设有具有透光性的电极62(例如透明电极)。配置在镜30的两侧的支承部件70分别一端被固定到镜30上，另一端被固定到未图示的壳体上。通过向一对电极62施加正负的电压而发生引力，镜30与镜40之间的距离缩小。如果停止电压的施加，则发生保持镜的支承部件70的复原力，镜30与镜40之间的距离恢复为原来的长度。产生这样的引力的电极62不需要设在镜整面上。该例中的致动器具有一对电极62，一对电极62的一方被固定在第1镜30上，一对电极62的另一方被固定在第2镜40上。致动器通过向一对电极62施加电压，使电极间产生静电力，使第1镜30与第2镜40的距离变化。另外，向电极62的电压的施加由上述驱动电路110(例如图25)进行。

图32是表示将产生引力的电极62配置在不妨碍光的传输的位置处的结构例的图。在该例中，不需要使电极62成为透明。如图示那样，被固定在镜30及40的各自上的电极62不需要是单一的，也可以被分割。通过计测分割的电极的一部分的静电电容，能够进行计测镜30与镜40之间的距离、调整镜30与镜40的平行度等的反馈控制。

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驱动镜30及/或40。

在利用压电材料、形状记忆合金或热的变形的致动器中，利用通过从外部施加的能量而材料变形的现象。例如，作为代表性的压电材料的锆钛酸铅(PZT)通过将电场在分极方向上施加而伸缩。可以由该压电材料使镜30与镜40之间的距离直接变化。但是，由于PZT的压电常数是100pm/V左右，所以即使施加例如1V/μm的电场，变位量也很小为0.01％左右。因此，在使用这样的压电材料的情况下，不能得到充分的镜的移动距离。所以，可以使用被称作单压电片或双压电片的结构使变化量增加。

图33是表示包含压电材料的压电元件72的例子的图。箭头表示压电元件72的变位方向，其箭头的大小表示变位量。如图33所示，由于压电元件72的变位量依存于材料的长度，所以面方向的变位量比厚度方向的变位量大。

图34A是表示使用图33所示的压电元件72的具有单压电片的构造的支承部件74a的结构例的图。该支承部件74a具有将1层的压电元件72与1层的非压电元件71层叠的构造。通过将这样的支承部件74a固定到镜30及40的至少一方上并使其变形，能够使镜30与镜40之间的距离变化。

图34B是表示通过对压电元件72施加电压而支承部件74a变形的状态的例子的图。如果对压电元件72施加电压，则仅压电元件72在面方向上伸长，所以支承部件74a整体挠曲。因此，与没有非压电元件71的情况相比，能够使变位量增加。

图35A是表示使用图33所示的压电元件72的具有双压电片的构造的支承部件74b的结构例的图。该支承部件74b具有将2层的压电元件72与其之间的1层的非压电元件71层叠的构造。通过将这样的支承部件74b固定到镜30及40的至少一方上并使其变形，能够使镜30与镜40之间的距离变化。

图35B是表示通过对两侧的压电元件72施加电压而支承部件74a变形的状态的例子的图。在双压电片中，在上下的压电材料72中变位方向为相反。因此，在使用双压电片的结构的情况下，能够使变位量与单压电片的结构相比进一步增加。

图36是表示将图34A所示的支承部件74a配置在镜30的两侧的致动器的例子的图。通过由这样的压电致动器以使梁挠曲的方式使支承部件74a变形，能够使镜30与镜40之间的距离变化。也可以代替图34A所示的支承部件74a而使用图35A所示的支承部件74b。

另外，由于单压电片型的致动器以圆弧状变形，所以如图37A所示，在没有被固定的一侧的前端发生倾斜。因此，如果镜30的刚性较低，则难以将镜30和镜40保持为平行。所以，如图37B所示，也可以将伸缩的方向不同的2个单压电片型的支承部件74a串联地接合。在图37B的例子中，在支承部件74a中，在伸缩的区域和伸展的区域中，挠曲的方向为相反。结果，能够使得在没有被固定的一侧的前端不产生倾斜。通过使用这样的支承部件74a，能够抑制镜30及40倾斜。

与上述同样，通过将热膨胀系数不同的材料贴合，也能够实现挠曲变形的梁构造。进而，也可以将梁构造用形状记忆合金实现。都能够用于镜30和镜40的距离的调整。

此外，也可以将光波导层20做成密闭空间，通过将内部的空气或液体用小型泵等吸排而使光波导层20的体积变化，来改变镜30与镜40之间的距离。

如以上这样，第1调整元件中的致动器可以通过多种多样的构造使光波导层20的厚度变化。这样的厚度的变化既可以对多个波导元件10分别单独地进行，也可以对全部的波导元件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的镜30与镜40之间的距离被控制为一定。因此，1个致动器能够将全部的波导元件10一齐驱动。

图38是表示由致动器将保持多个第1镜30的支承部件(即，辅助基板)52一齐驱动的结构的例子的图。在图38中，第2镜40是1个板状的镜。镜40也可以如上述实施方式那样分割为多个镜。支承部件52由具有透光性的材料构成，在两侧设有单压电片型的压电致动器。

图39是表示多个波导元件10的第1镜30是1个板状的镜的结构例的图。在该例中，第2镜40被按照每个波导元件10分割。也可以如图41及图42的例子那样，也可以是各波导元件10的镜30及40的至少一方是1个板状的镜的部分。致动器也可以通过使该板状的镜移动，使镜30与镜40之间的距离变化。

<用于相移的折射率调制>

接着，说明用于由第2调整元件进行的多个移相器80的相位的调整的结构。多个移相器80中的相位的调整可以通过使移相器80中的波导20a的折射率变化来实现。该折射率的调整可以通过已经说明的、与调整各波导元件10的光波导层20的折射率的方法完全相同的方法来实现。例如，可以原样应用参照图28A至图29说明的折射率调制的结构及方法。在关于图28A至图29的说明中，只要将波导元件10改作移相器80、将第1调整元件60改作第2调整元件、将光波导层20改作波导20a、将第1驱动电路110改作第2驱动电路210就可以。因此，关于移相器80中的折射率调制的详细的说明省略。

各移相器80的波导20a包括折射率对应于电压的施加或温度变化而变化的材料。第2调整元件通过对各移相器80的波导20a施加电压、或使波导20a的温度变化，使波导20a内的折射率变化。由此，第2调整元件能够使从多个移相器80向多个波导元件10传输的光的相位的差分别变化。

各移相器80可以构成为，在光穿过之前的期间中至少能够实现2π的相移。在移相器80的波导20a的每单位长度的折射率的变化量较小的情况下，也可以使波导20a的长度变大。例如，移相器80的大小也可以是从几百微米(μm)到几毫米(mm)，根据情况也可以是其以上。相对于此，各波导元件10的长度可以是例如从几十μm到几十mm左右的值。

<用于同步驱动的结构>

在本实施方式中，第1调整元件驱动各波导元件10，以使从多个波导元件10射出的光的方向一致。为了使从多个波导元件10射出的光的方向一致，例如只要在各波导元件10中单独地设置驱动部而同步驱动就可以。

图40是表示从各个波导元件10的电极62将布线64共同地取出的结构的例子的图。图41是表示使一部分的电极62及布线64为共同的结构的例子的图。图42是表示相对于多个波导元件10配置共用的电极62的结构的例子的图。在图40～图42中，直线的箭头表示光的输入。通过形成这些图所示那样的结构，能够使用来驱动波导阵列10A的布线变得简单。

根据本实施方式的结构，能够用简单的设备结构二维地进行光扫描。例如，在将由N条波导元件10构成的波导阵列同步驱动的情况下，如果设置分别独立的驱动电路，则需要N个驱动电路。但是，如果如上述那样进行将电极或布线设为共同的设计，则能够用1个驱动电路使其动作。

在波导阵列10A的前段设有移相器阵列80A的情况下，为了使各个移相器80独立地动作，还需要N个驱动电路。但是，通过如图27的例子那样将移相器80以级联状配置，用1个驱动电路也能够使其动作。即，在本公开的结构中，能够实现用2个至2N个驱动电路二维地使光扫描的动作。此外，也可以使波导阵列10A及移相器阵列80A分别独立地动作，所以相互的布线不会干涉，能够容易地引出。

<制造方法>

波导阵列、移相器阵列80A及将它们相连的电介体波导，可以通过半导体工艺、3D打印机、自组织化、纳米刻印等的能够进行高精度的微细加工的工艺来制造。通过这些工艺，能够将需要的要素集成到较小的区域中。

特别是，如果利用半导体工艺，则有加工精度很高、量产性也较高的优点。在利用半导体工艺的情况下，可以在基板上通过蒸镀、溅镀、CVD、涂敷等将各种各样的材料成膜。进而，通过光刻和蚀刻工艺进行微细加工。作为基板的材料，例如可以使用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43是示意地表示将配置移相器阵列80A的区域确保得较大、将波导阵列集成得较小的结构的例子的图。根据这样的结构，在构成移相器80的波导的材料中仅发生较小的折射率变化的情况下，也能够确保充分的相移量。此外，在将移相器80以热驱动的情况下，由于能将间隔取得较宽，所以能够使给相邻的移相器80带来的影响变小。

图44是表示2个移相器阵列80Aa及80Ab分别被配置在波导阵列10A的两侧的结构例的图。在该例中，光扫描设备100在波导阵列10A的两侧具有2个光分路器90a及90b、以及2个移相器阵列80Aa、80Ab。在图44中用点线表示的直线的箭头表示在光分路器90a及90b及移相器80a及80b中传输的光。移相器阵列80Aa及光分路器90a被连接在波导阵列10A的一侧，移相器阵列80Ab及光分路器90b被设置在波导阵列10A的另一侧。光扫描设备100还具备切换向光分路器90a的光的供给和向光分路器90b的光的供给的光开关92。通过将光开关92切换，能够切换从图44中的左侧向波导阵列10A输入光的状态、和从图44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，有能够扩大关于从波导阵列10A射出的光的X方向的扫描范围的优点。在从单侧将光向波导阵列10A输入的结构中，通过各波导元件10的驱动，能够将光的方向从正面方向(+Z方向)沿着+X方向或－X方向的某个方向扫描。相对于此，在本变形例中，在从图44中的左侧的光分路器90a输入了光的情况下，能够从正面方向沿着+X方向将光扫描。另一方面，在从右侧的光分路器90b输入了光的情况下，能够从正面方向向－X方向将光扫描。即，在图44的结构中，从正面观察能够将光向图44中的左右两方向扫描。因此，与从单侧输入光的结构相比，能够扩大扫描的角度范围。光开关92被从未图示的控制电路(例如，微控制器单元)以电信号控制。根据本结构例，能够将全部的元件的驱动通过电信号控制。

在以上的说明中，仅涉及波导元件10的排列方向及波导元件10延伸的方向正交的波导阵列。但是，这些方向并不需要正交。例如，也可以使用图45A所示那样的结构。图45A表示波导元件10的排列方向d1及波导元件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的光射出面也可以不在同一平面内。即使是这样的结构，通过适当地控制各波导元件10及各移相器，也能够使光的射出方向d3二维地变化。

图45B表示波导元件10的排列间隔不为一定的波导阵列的结构例。即使是采用这样的结构的情况，通过适当地设定由各移相器带来的相移量，也能够进行二维扫描。在图45B的结构中，波导阵列的排列方向d1和各波导元件10延伸的方向d2也可以不正交。

<应用例>

图46是表示在电路基板(即芯片)上集成了光分路器90、波导阵列10A、移相器阵列80A及光源130等的元件的光扫描设备100的结构例的图。光源130例如可以是半导体激光器等的发光元件。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。光分路器90将来自光源130的光分路而向多个移相器的波导导入。在图46的结构例中，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分别发送控制信号。电极62a、62b能够连接到生成上述控制信号的未图示的控制电路上。控制电路也可以设置在图46所示的芯片上，也可以设置在光扫描设备100的其他的芯片上。

如图46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。例如可以在2mm×1mm左右的芯片上集成图46所示的全部的组件。

图47是表示从光扫描设备100向远方照射激光器等的光束而执行二维扫描的状况的示意图。二维扫描通过使束斑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、计算光的飞行时间而求出距离的方法。

图48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激光雷达(LiDAR)系统300的结构例的框图。激光雷达系统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、被从对象物反射的光。光检测器400例如可以是对从光扫描设备100射出的光的波长λ具有灵敏度的图像传感器、或包括光敏二极管等的受光元件的光检测器。光检测器400输出与接收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是控制光扫描设备100、光检测器400及信号处理电路600的处理器。控制电路500控制来自光扫描设备100的光束的照射的时机及光检测器400的曝光及信号读出的时机，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，能够实现每当车移动约28cm就取得图像。在120fps的帧速率下，能够实现每当车移动约14cm就取得图像。在180fps的帧速率下，能够实现每当车移动约9.3cm就取得图像。

为了取得1个测距图像所需要的时间依存于束扫描的速度。例如，为了以60fps取得分辨率为100×100的图像，需要每1点以1.67μs以下进行束扫描。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进行的信号储存、读出。

<向光接收设备的应用例>

本公开的光扫描设备能够以大致相同的结构也作为光接收设备使用。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60。波导阵列10A的各第1镜30使从第3方向向第1反射面的相反侧入射的光透射。波导阵列10A的各光波导层20在第2方向上使透射了第1镜30的光传输。第1调整元件60通过使各波导元件10的上述光波导层20的折射率及厚度的至少一方变化，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被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46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中，则该光经过移相器阵列80A被向光分路器90传送，最终被集中到一部位，向接收电路传送。被集中在该一部位的光的强度可以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装入在波导阵列10A及移相器阵列80A中的调整元件来调整。在光接收设备中，例如在图22中，波矢量(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(X方向)的光成分和波导元件10的排列方向(Y方向)的光成分。X方向的光成分的灵敏度可以由装入在波导阵列中的调整元件来调整。另一方面，波导元件10的排列方向的光成分的灵敏度可以由装入在移相器阵列80A中的调整元件来调整。根据光接收设备的灵敏度成为最大时的光的相位差

光波导层20的折射率n_w及厚度d，能知道θ及α₀(式(16)及式(17))。因此，能够确定光的入射方向。上述实施方式及变形例能够适当组合。

产业上的可利用性

本公开的实施方式的光扫描设备及光接收设备例如能够用于搭载在汽车、UAV、AGV等的车辆中的激光雷达系统等的用途。

标号说明

1 波导

2 光波导层

3 多层反射膜

4 多层反射膜

5 光栅

6 激光源

7光纤

10波导元件(波导)

20光波导层

30第1镜

40第2镜

42低折射率层

44高折射率层

50基板

52支承部件(辅助基板)

60调整元件

62电极

64布线

66电源

68加热器

70支承部件

71非压电元件

72压电元件

74a、74b支承部件

80、80a、80b移相器

90、90a、90b光分路器

92光开关

100光扫描设备

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束斑

400光检测器

500控制电路

600信号处理电路

Claims (21)

1.一种光设备，其特征在于，

具备：

第1波导，通过全反射向导波方向传输光；以及

第2波导；

上述第2波导具备：

第1反射膜；

第2反射膜，与上述第1反射膜对置；以及

第1光波导层，与上述第1波导直接相连或具有余隙地相连，位于上述第1反射膜与上述第2反射膜之间；

上述第1光波导层与上述第1波导的中心线的延长线重叠；

上述光设备将在上述第1光波导层内传输的上述光的一部分向上述第2波导的外部射出；

或者，上述光设备将入射到上述第2波导中的光的一部分向上述第1光波导层内导入。

2.一种光设备，其特征在于，

具备：

第1波导，通过全反射向导波方向传输光；

第2波导；以及

第3波导；

上述第2波导具备：

第1反射膜；

第2反射膜，与上述第1反射膜对置；以及

第1光波导层，位于上述第1反射膜与上述第2反射膜之间；

上述第3波导具备：

第3反射膜；

第4反射膜，与上述第3反射膜对置；以及

第2光波导层，位于上述第3反射膜与上述第4反射膜之间；

上述第2光波导层与上述第1波导直接相连或具有余隙地相连，并且传输在上述第1波导中传输的上述光；

上述第1光波导层与上述第2光波导层直接相连，并且传输在上述第2光波导层中传输的上述光；

上述第1光波导层与上述第2光波导层的中心线的延长线重叠；

上述第2光波导层与上述第1波导的中心线的延长线重叠；

上述光设备将在上述第1光波导层内传输的上述光的一部分向上述第2波导的外部射出；

或者，上述光设备将入射到上述第2波导中的光的一部分向上述第1光波导层内导入。

3.如权利要求1或2所述的光设备，其特征在于，

上述第1光波导层向与上述第1波导的导波方向相同的方向传输上述光。

4.如权利要求1或2所述的光设备，其特征在于，

上述第1波导和上述第2波导集成在芯片上。

5.如权利要求1或2所述的光设备，其特征在于，

当设相对于上述光的上述第1波导的折射率为n_w1，设相对于上述光的上述第1光波导层的上述折射率为n_w2时，n_w1及n_w2满足

|n_w1－n_w2|/n_w1<0.4。

6.如权利要求1或2所述的光设备，其特征在于，

当设相对于上述光的上述第1光波导层的上述折射率为n_w2，设上述第1光波导层的厚度为d₂，设自由空间中的上述光的波长为λ，设m为1以上的整数时，n_w2及d₂满足

0.95×mλ/(2n_w2)<d₂<1.5×mλ/(2n_w2)。

7.如权利要求6所述的光设备，其特征在于，

n_w2及d₂还满足

1.2×mλ/(2n_w2)<d₂<1.5×mλ/(2n_w2)。

8.如权利要求1或2所述的光设备，其特征在于，

设与上述第1波导的上述第1光波导层的厚度方向的中心之间的错开量为Δz，设上述第1光波导层的厚度与上述第1波导的光波导层之间的绝对值之差为Δd，Δz满足

－Δd/2<Δz<Δd/2。

9.如权利要求1或2所述的光设备，其特征在于，

上述第1光波导层与上述第1波导具有余隙地相连，

设上述余隙的空间中的上述光的波长为λ，上述余隙的光学长满足λ/6.5以下。

10.如权利要求1或2所述的光设备，其特征在于，

当设相对于上述光的上述第1波导的折射率为n_w1，设相对于上述光的上述第1光波导层的上述折射率为n_w2时，n_w1及n_w2满足n_w1>n_w2。

11.如权利要求1或2所述的光设备，其特征在于，

上述第1波导在表面的一部分具有光栅，并且传输入射到上述光栅的上述光。

12.如权利要求1或2所述的光设备，其特征在于，

上述第1波导传输从上述第1波导的端面入射的上述光。

13.一种光设备，其特征在于，

具备多个波导单元；

上述多个波导单元分别具备：

第1波导，通过全反射向第2方向传输光；以及

第2波导；

上述第2波导具备：

第1反射膜；

第2反射膜，对置于上述第1反射膜；以及

第1光波导层，与上述第1波导直接相连或具有余隙地相连，位于上述第1反射膜与上述第2反射膜之间；

上述第1光波导层与上述第1波导的中心线的延长线重叠；

上述光设备将在上述第1光波导层内传输的上述光的一部分向上述第2波导的外部射出；

或者，上述光设备将入射到上述第2波导中的光的一部分向上述第1光波导层内导入。

14.一种光设备，其特征在于，

具备多个波导单元；

上述多个波导单元分别具备：

第1波导，通过全反射向第2方向传输光；

第2波导；以及

第3波导；

上述第2波导具备：

第1反射膜；

第2反射膜，对置于上述第1反射膜；以及

第1光波导层，位于上述第1反射膜与上述第2反射膜之间；

上述第3波导具备：

第3反射膜；

第4反射膜，对置于上述第3反射膜；以及

第2光波导层，位于上述第3反射膜与上述第4反射膜之间；

上述第2光波导层与上述第1波导直接相连或具有余隙地相连，并且传输在上述第1波导中传输的上述光；

上述第1光波导层与上述第2光波导层直接相连，并且传输在上述第2光波导层中传输的上述光；

上述第1光波导层与上述第2光波导层的中心线的延长线重叠；

上述第2光波导层与上述第1波导的中心线的延长线重叠；

上述光设备将在上述第1光波导层内传输的上述光的一部分向上述第2波导的外部射出；

或者，上述光设备将入射到上述第2波导中的光的一部分向上述第1光波导层内导入。

15.如权利要求13所述的光设备，其特征在于，

上述光设备在上述多个波导单元中的各个波导单元中调整向上述第2波导传输的上述光的相位。

16.如权利要求15所述的光设备，其特征在于，

还具备多个移相器；

上述多个移相器分别具备与对应的上述第1波导相连的第4波导；

各移相器的上述第4波导包括折射率对应于电压的施加或者温度的变化而变化的材料；

上述光设备通过向各移相器的上述第4波导施加电压，或者使各移相器的上述第4波导的温度变化，从而使上述第4波导的折射率变化，并且在上述多个波导单元中的各个波导单元中调整向上述第2波导传输的上述光的相位。

17.如权利要求16所述的光设备，其特征在于，

还具备：

光源，射出上述光；以及

光分路器，将来自上述光源的上述光分路而向上述多个移相器中的各个移相器的上述第4波导导入。

18.如权利要求13～17中任一项所述的光设备，其特征在于，

还具备一体地构成的第5反射膜；

上述多个波导单元中的各个波导单元的上述第1反射膜是上述第5反射膜的一部分。

19.如权利要求13～17中任一项所述的光设备，其特征在于，

还具备一体地构成的第6反射膜；

上述多个波导单元中的各个波导单元的上述第2反射膜是上述第6反射膜的一部分。

20.如权利要求1所述的光设备，其特征在于，

上述第1光波导层具有与上述第1波导的端面直接相连的端面。

21.一种光检测系统，其特征在于，具备：

权利要求1～19中任一项所述的光设备；

光检测器，检测从上述光设备射出并从对象物反射的光；以及

信号处理电路，基于上述光检测器的输出，生成距离分布数据。

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