CN117597626A - 波导元件、光扫描元件以及光调制元件 - Google Patents

波导元件、光扫描元件以及光调制元件 Download PDF

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CN117597626A
CN117597626A CN202280047493.7A CN202280047493A CN117597626A CN 117597626 A CN117597626 A CN 117597626A CN 202280047493 A CN202280047493 A CN 202280047493A CN 117597626 A CN117597626 A CN 117597626A
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浅井圭一郎
东原周平
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Abstract

本发明提供扫描角度大、响应快、能够小型化、且能够降低驱动电压的波导元件、光扫描元件以及光调制元件。本发明的实施方式的波导元件具备：光子晶体层，其是在电光晶体基板周期性地形成空穴而成的；线缺陷的光波导，其形成在所述光子晶体层中；第一电极，其设置于电光晶体基板的上部，相对于光而透明；以及第二电极，其设置于电光晶体基板的下部。本发明的实施方式的光扫描元件及光调制元件分别包括上述波导元件。

Description

波导元件、光扫描元件以及光调制元件
技术领域
本发明涉及波导元件、光扫描元件以及光调制元件。
背景技术
作为电光元件之一，正在开发包括光波导的波导元件。作为这样的波导元件，例如已知有广角扫描激光的光扫描元件、使光的相位等发生变化的光调制元件等。
特别是，光扫描元件能够作为激光雷达、激光扫描仪、LIDAR(Light Detectionand Ranging)使用，因此，探讨了在汽车的自动驾驶控制用、或者移动终端或机器人或无人机的位置控制用的障碍物监测系统、测距系统中的应用，正在积极地进行开发。
作为光扫描元件的一例，提出了在硅光子晶体波导设置放射机构得到的光偏转器(专利文献1～4)。但是，这样的光偏转器构成为：针对各波长来改变偏转角度、或者对元件进行加热来改变偏转角度，在如上所述的用途中使用的情况下，扫描角度不充分。另外，针对各波长而使偏转角发生变化的类型存在需要波长不同的多个光源的问题，进行加热的类型存在响应慢的问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2017/126386号
专利文献2：国际公开第2018/003852号
专利文献3：国际公开第2018/186471号
专利文献4：日本专利第4208754号公报
发明内容
本发明的主要目的在于，提供扫描角度大、响应快、能够小型化、且能够降低驱动电压的波导元件、光扫描元件以及光调制元件。
本发明的实施方式的波导元件具备：光子晶体层，该光子晶体层是在电光晶体基板周期性地形成空穴而成的；线缺陷的光波导，该光波导形成在所述光子晶体层中；第一电极，该第一电极设置于所述电光晶体基板的上部，相对于光而透明；以及第二电极，该第二电极设置于所述电光晶体基板的下部。上述第一电极及上述第二电极分别在所述光子晶体层的厚度方向上与所述光波导重叠。
1个实施方式中，上述第二电极相对于光而透明，且与所述电光晶体基板接触，所述第一电极及所述第二电极各自的折射率小于所述电光晶体基板的折射率。
1个实施方式中，上述波导元件还具备：基板，该基板设置于所述第二电极的下部；以及低折射率部，该低折射率部位于所述第二电极与所述基板之间，具有比所述电光晶体基板的折射率小的折射率(低介电常数部，该低介电常数部具有比所述电光晶体基板的介电常数小的介电常数)，所述低折射率部在所述光子晶体层的厚度方向上与所述光波导重叠。
1个实施方式中，上述波导元件还具备接合部，该接合部设置于所述第二电极与所述基板之间，用于将所述第二电极和所述基板接合，所述接合部具有作为所述低折射率部发挥作用的空腔。
1个实施方式中，上述波导元件还具备低折射率部，该低折射率部位于所述电光晶体基板与所述第二电极之间，具有比所述电光晶体基板的折射率小的折射率(低介电常数部，该低介电常数部具有比所述电光晶体基板的介电常数小的介电常数)，所述低折射率部在所述光子晶体层的厚度方向上与所述光波导重叠。
1个实施方式中，上述波导元件还具备接合部，该接合部设置于所述电光晶体基板与所述第二电极之间，用于将所述电光晶体基板和所述第二电极接合，通过所述电光晶体基板的下表面、所述第二电极的上表面以及所述接合部而规定出作为所述低折射率部发挥作用的空腔。
1个实施方式中，上述电光晶体基板由选自由铌酸锂、钽酸锂、磷酸钛氧钾、铌酸钾锂、铌酸钾、钽铌酸钾、以及铌酸锂与钽酸锂的固溶体构成的组中的1种构成。
根据本发明的另一方面，光扫描元件包括上述波导元件，上述波导元件还具备衍射光栅，该衍射光栅设置于从所述光波导的上部、左侧面部以及右侧面部中选择的至少1个部分，上述光扫描元件构成为：从所述光波导的上表面射出的光的出射角发生变化。
根据本发明的再一方面，光调制元件包括上述波导元件，上述光波导为包括第一波导和第二波导的马赫曾德尔型光波导，所述第一电极配置成：在所述光子晶体层的厚度方向上与所述第一波导重叠。
1个实施方式中，上述光调制元件还具备第三电极，该第三电极设置于所述电光晶体基板的上部，相对于光而透明，所述第三电极配置成：在所述光子晶体层的厚度方向上与所述第二波导重叠。
发明效果
根据本发明的实施方式，可以实现扫描角度大、响应快、能够小型化、且能够降低驱动电压的波导元件、光扫描元件以及光调制元件。
附图说明
图1是本发明的1个实施方式的光扫描元件的概要立体图。
图2是图1的光扫描元件的概要截面图。
图3是本发明的另一实施方式的光扫描元件的概要立体图。
图4是本发明的再一实施方式的光扫描元件的概要立体图。
图5是本发明的再一实施方式的光扫描元件的概要立体图。
图6是本发明的再一实施方式的光调制元件的概要立体图。
图7是说明可用于本发明的实施方式的光扫描元件的衍射光栅中的光的传播及出射(放射)的概要截面图。
图8是说明从本发明的实施方式的光扫描元件射出的出射光束的扩展方式的概要立体图。
图9是用于说明使用本发明的实施方式的光扫描元件来扫描对象面的方法的概念图。
图10(a)～图10(c)是说明本发明的实施方式的光扫描元件的制造方法的一例的概要截面图，图10(a)示出形成第二电极的工序，图10(b)示出形成保护层的工序，图10(c)示出形成牺牲层的工序。
图11(a)～图11(c)是说明紧接着图10(c)的光扫描元件的制造工序的概要截面图，图11(a)示出形成空腔加工层的工序，图11(b)示出对空腔加工层的表面进行研磨的工序，图11(c)示出形成非晶质层的工序。
图12(a)～图12(d)是说明紧接着图11(c)的光扫描元件的制造工序的概要截面图，图12(a)示出形成复合基板的工序，图12(b)示出形成衍射光栅的工序，图12(c)示出形成第一电极的工序，图12(d)示出形成保护层的工序。
图13(a)～图13(c)是说明紧接着图12(d)的光扫描元件的制造工序的概要截面图，图13(a)示出形成多个空穴的工序，图13(b)示出形成空腔的工序，图13(c)示出形成金属焊盘的工序。
图14是示出等效折射率差的波长依赖性的图表。
图15是示出不同波长处的等效折射率差与施加电压(电场)的关系的图表。
图16是示出施加电压与出射角的关系的图表。
具体实施方式
本发明的实施方式的波导元件为包括线缺陷的光波导的光学器件。作为波导元件，例如可以举出：广角扫描光的光扫描元件、使光的相位发生变化的光调制元件、光延迟元件、光开关等。
特别是，波导元件优选用作光扫描元件或光调制元件。将作为光扫描元件的实施方式示于图1～图5。将作为光调制元件的实施方式示于图6。
以下，对本发明的实施方式进行说明，不过，本发明不限定于这些实施方式。应予说明，本说明书中“左侧”或“右侧”是指：相对于光波导的波导方向(光波导中的光的行进方向)而言为左侧或右侧。
A.光扫描元件的整体构成及动作
A－1.整体构成
图1是本发明的1个实施方式的光扫描元件的概要立体图，图2是图1的光扫描元件的概要截面图。图示例的光扫描元件100具备：光子晶体层10，其是在电光晶体基板11周期性地形成空穴12而成的；光波导16，其被规定为光子晶体层10中未形成空穴12的部分(即，线缺陷的光波导16，其形成于光子晶体层中)；第一电极40，其设置于电光晶体基板11(光子晶体层)的上部，相对于光而透明；以及第二电极50，其设置于电光晶体基板11(光子晶体层)的下部。第一电极40及第二电极50分别在光子晶体层10的厚度方向上与光波导16重叠。代表性地，光扫描元件100还具备衍射光栅60，其设置于从光波导16的上部、左侧面部以及右侧面部中选择的至少1个部分。光扫描元件100构成为：从光波导的上表面射出的光的出射角发生变化。
光扫描元件中，利用施加到第一电极与第二电极之间的电压，使光波导产生电场，从而使来自光波导的出射光的出射角发生变化。因此，需要将光波导位于第一电极与第二电极之间。于是，探讨了：在电光晶体基板(光子晶体层)的上表面，将第一电极配置于光波导的右侧，将第二电极配置于光波导的左侧。但是，将第一电极和第二电极均配置于电光晶体基板的上表面的构成中，无法使第一电极与第二电极之间的间隔小于光波导的宽度(与波导方向正交的方向上的尺寸)，第一电极与第二电极之间的间隔的减少有限。
与此相对，根据上述构成，第一电极及第二电极以在光子晶体层的厚度方向上与光波导重叠的方式设置于电光晶体基板(光子晶体层)的上下。因此，与将第一电极及第二电极配置于电光晶体基板的上表面的方案相比较，能够使第一电极与第二电极之间的间隔变小。
更具体而言，光子晶体层的厚度方向上的第一电极40与第二电极50之间的间隔代表性的为1.2μm以下，优选小于1μm，更优选为0.8μm以下，进一步优选为0.5μm以下，且代表性的为0.2μm以上。
像这样能够使第一电极与第二电极之间的间隔变小，从而能够将第一电极及第二电极配置于光波导的附近，因此，在对第一电极与第二电极之间施加了电压时，能够使光波导高效地产生电场，从而能够降低将光以所期望的出射角度射出所需要的光扫描元件的驱动电压。
代表性地，第一电极40与电光晶体基板11的上表面接触。图示例的光扫描元件100中，第一电极40设置于电光晶体基板11的整个上表面。1个实施方式中，第二电极50相对于光而透明，且与电光晶体基板11的下表面接触。光扫描元件100中，第二电极50设置于电光晶体基板11的整个下表面。第一电极40及第二电极50各自的折射率小于电光晶体基板11的折射率。根据这样的构成，能够使第一电极及第二电极作为包层发挥作用，能够抑制在光波导中传播的光从光波导漏出。
电极(第一电极40或第二电极50)的折射率代表性的为1.1以上，优选为1.3以上，且代表性的为2.0以下，优选为1.8以下。
电光晶体基板与电极的折射率差代表性的为0.2以上，优选为0.3以上，且代表性的为1.2以下，优选为0.8以下。
光扫描元件100动作时，在第一电极40及第二电极50电连接有电源70。因此，如图2所示，可以在第一电极40及第二电极50分别设置用于与电源70电连接的金属焊盘71。另外，在第一电极40的上表面可以设置用于对第一电极40予以保护的保护层43。作为保护层43，只要能够容许来自光波导16的出射光通过，就可以采用任意的适当构成。
1个实施方式中，光扫描元件100还具备：基板30，其设置于第二电极50的下部；以及低折射率部80，其位于第二电极50与基板30之间，具有比电光晶体基板11的折射率小的折射率(低介电常数部80，其具有比电光晶体基板11的介电常数小的介电常数)。低折射率部80在光子晶体层10的厚度方向上与光波导16重叠。通过设置基板，能够提高光扫描元件的强度。另外，通过以与光波导重叠的方式设置低折射率部，能够稳定地抑制在光波导中传播的光从光波导漏出。
图示例的光扫描元件100可以进一步具备接合部20，其设置于第二电极50与基板30之间，用于将第二电极50和基板30接合。接合部20具有作为低折射率部发挥作用的空腔80。空腔80代表性的为沿波导方向贯穿接合部20的开口。空腔可以由第二电极的下表面、基板的上表面以及接合部来规定。
作为衍射光栅60，只要能够从光波导16的上表面射出光，就可以采用任意的适当构成。例如，衍射光栅可以为平面型，也可以为凹凸型，也可以为利用全息图的类型。关于平面型，例如利用折射率差而形成衍射光栅的图案；关于凹凸型，例如利用沟或狭缝而形成衍射光栅的图案。作为衍射光栅的图案，代表性地，可以举出：条纹、格子、点、特定形状(例如星形)。条纹的方向及间距、点的配置图案等可以根据目的而适当设定。1个实施方式中，衍射光栅60具有沿相对于光波导16的波导方向而实质上正交的方向延伸的多个光栅沟。即，1个实施方式中，衍射光栅具有相对于光波导的波导方向而实质上正交的条纹图案。
衍射光栅60可以形成于光波导16的整个波导方向，也可以形成于光波导16的沿波导方向的规定区域。该规定区域可以为1个，也可以为多个。衍射光栅的长度相对于光波导的长度的比例优选为10％～90％，更优选为20％～80％。如果长度的比例为这样的范围，则能够在光波导的未设置衍射光栅的部分使光的横模形状稳定，从而能够利用衍射光栅区域的衍射效应使光从上表面良好地射出。另外，能够实现具有良好的对称性的衍射光图案，可以得到强度分布平滑且没有纹波的出射光。应予说明，光波导的长度方向上的衍射光栅的形成位置可以根据目的而适当设定。衍射光栅的形成位置可以根据例如供光扫描元件连接的电路、接合来确定。
衍射光栅60可以优选仅设置于光波导16的正上方(衍射光栅可以形成于电光晶体基板，也可以有别于电光晶体基板而另行形成，还可以为这两者)。
此外，可以有别于构成光子晶体的低折射率柱、空穴而另行在电光晶体基板形成不同周期的低折射率柱、空穴。
如果是这样的构成，则衍射光栅和波导光能够有效地相互作用，结果，能够实现非常优异的衍射效率。
图3是本发明的另一实施方式的光扫描元件的概要立体图。图示例的光扫描元件101中，第一电极40仅设置于光波导16的正上方。换言之，第一电极40仅设置于电光晶体基板11的上表面的与光波导16相对应的部分。
图4及图5是本发明的再一实施方式的光扫描元件的概要立体图。图示例的光扫描元件104中，空腔加工层22设置于电光晶体基板11与第二电极50之间，将电光晶体基板11和第二电极50接合。另外，低折射率部82位于电光晶体基板11与第二电极50之间。这种情况下，第二电极50可以相对于光而透明，也可以相对于光而不透明。
1个实施方式中，如图4所示，低折射率部为空腔82。代表性地，空腔82由电光晶体基板11的下表面、第二电极50的上表面以及空腔加工层22来规定。空腔可以为沿波导方向贯穿接合部的开口。另外，1个实施方式中，如图5所示，空腔加工层22可以作为低折射率部发挥作用。
应予说明，图4的情况下，可以在空腔加工层22的上方、下方部具有保护层21、非晶质层23。图5的情况下，可以在空腔加工层22的上方、下方部具有非晶质层23。
本说明书中“光扫描元件”包含：形成有至少1个光扫描元件的晶片(光扫描元件晶片)以及将该光扫描元件晶片切断得到的芯片这两者。
首先，对光扫描元件的动作进行说明，光扫描元件的各构成要素及制造方法的具体构成在B项～H项中进行说明。另外，光调制元件在I项中进行说明。
A－2.动作
在光扫描元件动作时，从光波导16的入射面使光入射。此处，对入射的光进行说明。入射光可以使用LiDAR用途中使用的以单一波长发出的激光。关于激光，纵模可以为多模，也可以为单模，横模可以为多模，也可以为单模。优选为，激光的纵模及横模均为单模。如果是这样的构成，则能够抑制激光的扩展，使空间分辨率提高。已入射的光在光波导16内传播，同时利用衍射光栅60的作用而使得衍射光从元件的上表面射出。参照图7更详细地进行说明。图7是说明衍射光栅中的光的传播及出射(放射)的概要截面图。1个实施方式中，如上所述，衍射光栅具有沿相对于光波导16的波导方向而实质上正交的方向延伸的多个光栅沟。图示例的衍射光栅为俯视与波导方向正交的方向上的光栅图案，在沿波导方向的截面中，例如交替形成有宽度Λ/2的凸部和宽度Λ/2的狭缝。在狭缝部分，衍射光栅下部的光波导露出。凸部及狭缝的重复单元的宽度Λ定义为衍射光栅的周期(间距)。凸部的宽度与狭缝的宽度之比没有特别限定，优选为1/9至9/1的范围。入射至光波导16的光例如沿波导方向以传播常数βo传播。周期Λ的衍射光栅中，满足下式(1)的相位条件的传播常数的光传播。
βq＝βo+qK(q＝0、±1、±2、···)···(1)
此处，βo为不存在衍射光栅时的光波导中的波导模式的传播常数，K以下式表示。
K＝2π/Λ
具有满足下式的级数q的情况下，能够在光波导的上侧和下侧均有光射出(放射)。
|βq|＜na·k或|βq|＜ns·k
此处，na及ns分别表示光波导的上部的包层及下部的包层的折射率。另外，k表示波数。应予说明，光扫描元件中，第二电极和/或空腔作为下部包层发挥作用，第一电极和/或第一电极上部的外部环境(空气部分)作为上部包层发挥作用，因此，na及ns可以分别为1.5。
相对于基准面的出射角θa及θs可以分别以下式(2)确定。应予说明，基准面设为以光波导16的波导方向为法线的面(该基准面也包括光子晶体层10的法线)。
na·k·sinθa＝ns·k·sinθs＝βq···(2)
此外，式(1)可以表示为下式(3)。此处，式(3)实际上成立的条件为q≤－1的情形。因此，一次衍射光能够以在q＝－1时计算出的出射角θa及θs射出到光波导外部。
[数学式1]
q:衍射级数
由式(3)可知，出射角θa及θs可以根据nwg及入射光的波长λ而发生变化。此处，nwg相当于在将光子晶体中的空穴除去1列而形成的光波导(线缺陷的光波导)中传播的光的等效折射率。根据本发明的实施方式，在电光晶体基板形成光子晶体(光子晶体层)，由此，在光子带的长波长侧，等效折射率非常大，并且，因电压施加而使得该等效折射率大幅变化。结果，通过使施加电压(而形成的电场)发生变化，能够使式(3)中的nwg大幅变化，因此，能够使出射角θa大幅变化。换言之，通过使施加电压发生变化，能够使出射角θa在较宽的范围且以所期望的角度进行变化。此外，由电光晶体基板形成的光子晶体相对于由半导体(例如单晶硅)形成的光子晶体而言具有以下优点。如果利用由半导体形成的光子晶体，则由于电光效应较小，所以，即便进行电压施加，折射率也几乎没有变化。因此，想要在利用这样的光子晶体的光扫描元件中使出射角发生变化的情况下，需要使入射光的波长发生变化、或者加热而使折射率发生变化。结果，使波长发生变化的情况下，需要波长不同的多个光源或多波长光源，成本增大，设计上的制约也变大。此外，很难使光源的波长连续性地变化，因此，也很难使出射角连续性地变化，有时通过光源的波长无法实现所期望的出射角。另外，利用加热的情况下，很难使光子晶体部分的温度分布变得均匀，并且，很难使响应速度变为高速，环境温度发生变化时的温度控制还需要包括传感器在内的外部电路，成本增大成为课题。此外，由温度变化带来的等效折射率的变化比较小，目前尚未报道超过50°的出射角变化。与此相对，根据本发明的实施方式，仅使向电极施加的电压变化即可，且电压能够连续性地变化，因此，能够实现低成本、设计上的制约也较小、能够在较宽的范围且以所期望的角度改变出射角的光扫描元件。
图8是说明从光扫描元件射出的出射光束的扩展方式的概要立体图。如图8所示，以上述的机制从光扫描元件(实质上为光波导)射出的出射光束(激光)成为俯视呈线状(与光波导方向正交的方向上的线状)且从光波导方向观察时呈扇状的所谓的扇形射束。扇的角度(扇形射束的扩展角度)优选为10°以上，更优选为25°以上，进一步优选为50°以上。扇形射束的扩展角度可以为例如120°以下。通过调整光波导的宽度，能够控制扇形射束的扩展角度。亦即，与近场(近界)和远场(远界)的关系同样地，如果使光波导的宽度变窄，则扩展变大，因此，能够使扩展角度变大。另外，如果使光波导的宽度变宽，则相反，能够使扩展角度变窄。如果扩展角度为这样的范围，则通过与出射角在较宽范围内可变的效果之间的协同效应，可以得到具有极其优异的扫描效率的光扫描元件。特别是，用于LiDAR时，要求有水平方向上100°以上、垂直方向上25°以上的视角，为了使其满足该要求，扇形射束的扩展角度(垂直方向)可以如上所述进行设定。另外，出射角优选在±40°以上的范围内可变，更优选在±60°以上的范围内可变。出射角可以为例如±70°以下。如上所述，根据本发明的实施方式，与以往的光扫描元件相比，能够使出射角在格外宽的范围内变化。应予说明，本说明书中，出射角的符号“+”是指相对于上述的基准面而为输出侧，“－”是指相对于基准面而为输入侧。
接下来，对光扫描元件的使用方法的一例进行说明。图9是用于说明使用光扫描元件扫描对象面的方法的概念图。如上所述，关于本发明的实施方式的光扫描元件，通过使施加电压发生变化，能够相对于包括针对光扫描元件的法线且与光波导方向正交的面(基准面)而以非常宽的范围的出射角取出在与光波导方向正交的方向上扩展的光(扇形射束)。因此，如果使光扫描元件(具体的为光扫描元件100、101以及104中的任一者)的光波导方向与水平方向X一致，则能够取出在垂直方向Y上扩展的扇形射束。如果将该扇形射束在被测定面(对象面)123投射到图示例中的对象面的列123a中的最跟前的那列，则能够将来自该列的反射光以透镜124进行聚光，通过受光元件125的受光元件阵列125B进行受光。接下来，根据本发明的实施方式的光扫描元件，通过使施加电压发生变化，能够使扇形射束的出射角沿水平方向X大幅变化。结果，通过以规定的角度使出射角发生变化，能够将扇形射束投射到下一列(已投射的列的相邻列)。因此，能够以没有使光扫描元件沿水平方向X移动的状态扫描对象面123的全部。结果，与以往相比，能够显著减少扫描所需的时间和成本，且能够显著减少受光元件阵列的成本。应予说明，受光元件可以为例如2维排列的光电二极管、CMOS照相机、CCD。
B.光子晶体层
B－1.电光晶体基板
电光晶体基板11具有第一电极40侧的上表面和第二电极50侧的下表面。电光晶体基板11由具有电光效应的材料的晶体构成。具体而言，电光晶体基板11被施加电压(电场)时，折射率能够发生变化。据此，光扫描元件中，与使用半导体材料(例如单晶硅)的情形相比，能够得到以下优点：在使用了半导体材料的光扫描元件中，利用由光子晶体带来的等效折射率的波长依赖性的增大效果。或者，利用等效折射率的温度依赖性的增大效果。但是，前者的情况下，可能产生如下问题，即，波长依赖性因光子晶体而增大，扇形射束以针对各波长而不同的角度射出，因此需要多个波长的光源；在受光侧针对多个波长分别识别而进行信号处理，因此，处理变得复杂。后者的情况下，对光子晶体部分进行加热、冷却，设定为所期望的温度，且使面内分布变得均匀，因此，需要某种程度的时间，很难将响应速度高速化。另外，环境温度变化时的温度控制还需要包括传感器在内的外部电路，成本增大也成为课题。此外，由温度变化带来的等效折射率的变化比较小。与此相对，使用了电光晶体基板的情况下，如上所述，能够通过电压(电场)的施加而使等效折射率发生变化。将在光子晶体中设置的光波导中传播的光的等效折射率差示于图14。图14中示出了作为电光晶体使用铌酸锂、且空穴周期425nm、空穴径(半径)144.5nm时的计算结果。如图14所示，等效折射率差在光子带内的长波长侧变大。此处，长波长侧是指：波长比光子带的中心波长要长的那侧、或者波长比光子带封入模式的波长要长的那侧。另外，该区域中，等效折射率差的波长依赖性也变大。施加了电压的情况下，随着由电光效应带来的折射率变化，等效折射率差也可能增大。应予说明，图14中的等效折射率差ΔNeff以下式表示。此处，Neff(0)为未施加电压时的等效折射率，Neff(V)为施加电压时的等效折射率。
ΔNeff＝Neff(V)－Neff(0)
图15是根据图14的计算结果示出特定波长处的施加电场与等效折射率差的关系的图表。如图15所示，波长λ较短的区域中，等效折射率差与没有形成光子晶体的光波导型衍射器件同样地，由电场带来的变化非常小。另一方面，波长λ较长的光子带边缘区域中，由电场带来的等效折射率差的变化可能变大。据此，利用了电光晶体基板的光子晶体有可能因电压施加而使等效折射率差变大(使等效折射率大幅变化)，能够与该变化对应地使衍射光的出射角大幅变化。
代表性地，电光晶体基板11的c轴可以与电光晶体基板11垂直。即，电光晶体基板11代表性的为Z切割的基板。电光晶体基板11的厚度可以根据使用的电磁波的频率、波长而设定为任意的适当厚度。电光晶体基板11的厚度可以为例如0.1μm～10μm，另外，可以为例如0.1μm～3μm。代表性地，如上所述，光扫描元件中，电光晶体基板与支撑基板一体化，由支撑基板进行补强，因此，能够使电光晶体基板的厚度变薄。结果，能够使适合于光扫描元件的波长的光在光波导中单模传播，和/或，能够使与衍射光栅的结合效率容易地提高。
作为构成电光晶体基板11的材料，只要得到本发明的实施方式的效果，就可以采用任意的适当材料。作为这样的材料，代表性地，可以举出电介质(例如陶瓷)。作为具体例，可以举出：铌酸锂(LiNbO3：LN)、钽酸锂(LiTaO3：LT)、磷酸钛氧钾(KTiOPO4：KTP)、铌酸钾锂(KxLi(1－x)NbO2：KLM)、铌酸钾(KNbO3：KN)、钽铌酸钾(KNbxTa(1－x)O3：KTN)、铌酸锂与钽酸锂的固溶体。应予说明，使用铌酸锂或钽酸锂的情况下，可以使用为了抑制光损伤而掺杂了MgO的物质、或者化学计量组成的晶体。
B－2.光子晶体层
如上所述，光子晶体层10是在电光晶体基板周期性地形成空穴12而成的。构成光子晶体层的光子晶体为以与光的波长相同程度的周期构成了折射率大的介质和折射率小的介质的多维周期结构体，具有与电子的带结构相似的光的带结构。因此，通过适当地设计周期结构，能够使其表现出规定的光的禁带(光子带隙)。具有禁带的光子晶体作为针对规定波长的光既不引起光的反射也不引起光的透过的物体发挥作用。如果在具有光子带隙的光子晶体中导入扰乱周期性的线缺陷，则在带隙的频率区域内形成波导模式，能够实现以低损耗传播光的光波导。
图示例的光子晶体为所谓的板坯型2维光子晶体。板坯型2维光子晶体是：在电介质(本发明的实施方式中为电光晶体)的薄板板坯，以与目的及所期望的光子带隙相对应的适当的2维周期间隔设置折射率比构成薄板板坯的材料的折射率低的圆柱状或多棱柱状的低折射率柱，进而，将薄板板坯的上下以具有比薄板板坯低的折射率的上部包层和下部包层夹持得到的光子晶体。图示例中，空穴12作为低折射率柱发挥作用，电光晶体基板11的空穴12、12间的部分14作为高折射率部发挥作用，第二电极和/或空腔作为下部包层发挥作用，第一电极和/或第一电极上部的外部环境(空气部分)作为上部包层发挥作用。电光晶体基板11中未形成空穴12的周期图案的部分成为线缺陷，该线缺陷部分构成光波导16。
空穴12可以如上所述形成为周期性的图案。代表性地，空穴12按形成有规律的格子的方式排列。作为格子的形态，只要能够实现规定的光子带隙，就可以采用任意的适当形态。作为代表例，可以举出：三角格子、正方形格子。1个实施方式中，空穴12可以为贯通孔。贯通孔容易形成，结果，容易调整折射率。作为空穴(贯通孔)的俯视形状，可以采用任意的适当形状。作为具体例，可以举出：等边多边形(例如正三角形、正方形、正五边形、正六边形、正八边形)、大致圆形、椭圆形。优选为大致圆形。关于大致圆形，长径/短径比优选为0.90～1.10，更优选为0.95～1.05。应予说明，如上所述，贯通孔12可以为低折射率柱(由低折射材料构成的柱状部分)。其中，贯通孔容易形成，且贯通孔由折射率最低的空气构成，因此，能够使与光波导的折射率差变大。另外，空穴径可以部分地与其他空穴径不同，空穴周期也可以部分地与其他空穴周期不同。另外，空穴的周期P与空穴的半径d/2的关系d/(2P)优选为0.2以上且0.48以下，更优选为0.25以上且0.4以下，进一步优选为0.3以上且0.34以下。如果是这样的范围，则能够使由电压施加带来的等效折射率差变大。
空穴的格子图案可以根据目的及所期望的光子带隙而适当设定。图示例中，直径d的空穴以周期P形成正方形格子。图示例中形成有正方形格子，不过，通过适当设定空穴的直径及周期等，即便是三角格子，也能够得到同样的动作、功能以及效果。该正方形格子图案形成于光子晶体元件的两侧，在未形成格子图案的中央部形成有光波导16。光波导16的长度优选为5mm以下，更优选为0.1mm～3mm。根据本发明的实施方式，通过将由电光晶体构成的光子晶体层和规定的衍射光栅组合，能够使光波导的长度变得非常短。结果，能够实现光扫描元件的小型化。光波导16的宽度可以相对于空穴周期P而为例如1.01P～3P(图示例中为2P)。光波导方向上的空穴的列(以下有时称为格子列)的数量可以在光波导各自的那侧为3列～10列(图示例中为5列)。空穴周期P可以满足例如以下的关系。
(1/7)×(λ/n)≤P≤1.4×(λ/n)
此处，λ为导入到光波导的光的波长(nm)，n为电光晶体基板的折射率。具体而言，空穴周期P可以为0.1μm～1μm。1个实施方式中，空穴周期P可以与光子晶体层(电光晶体基板)的厚度等同。空穴的直径d可以相对于空穴周期P而为例如0.1P～0.9P。通过将空穴的直径d、空穴周期P、格子列的数量、1个格子列中的空穴的数量、光子晶体层的厚度、电光晶体基板的构成材料(实质上为折射率)、线缺陷部分的宽度、后述的空腔的宽度以及高度等适当组合进行调整，可以得到所期望的光子带隙。此外，针对除光波以外的电磁波也可以得到同样的效果。作为电磁波的具体例，可以举出：毫米波、微波、太赫兹波。
1个实施方式中，在光子晶体层(电光晶体基板)10可以形成有蚀刻用贯通孔(未图示)。通过形成蚀刻用贯通孔，能够使蚀刻液良好地遍及整个待蚀刻的区域。结果，能够更精密地形成所期望的空腔。蚀刻用贯通孔的数量可以根据目的而适当设定。具体而言，可以形成有一个蚀刻用贯通孔，也可以形成有多个(例如2个、3个或4个)蚀刻用贯通孔。蚀刻用贯通孔形成于例如距光波导3列以上格子列的位置。如果是这样的构成，则能够不会对光子带隙带来不良影响地使蚀刻液遍及整个待蚀刻的区域。另外，蚀刻用贯通孔可以形成于例如格子图案的与光波导相反一侧的端部的输入部侧和/或输出部侧(即，光子晶体层的角部)。如果是这样的构成，则能够进一步良好地防止针对光子带隙的不良影响。例如形成有4个蚀刻用贯通孔的情况下，它们可以形成于光子晶体层的4个角。代表性地，蚀刻用贯通孔的尺寸大于空穴12的尺寸。例如，蚀刻用贯通孔的直径相对于空穴的直径d而优选为5倍以上，更优选为50倍以上，进一步优选为100倍以上。另一方面，蚀刻用贯通孔的直径相对于空穴的直径d而优选为1000倍以下。如果蚀刻用贯通孔的直径过小，则有时蚀刻液不会良好地遍及整个待蚀刻的区域。如果蚀刻用贯通孔的直径过大，则有时必须使元件尺寸大于所期望尺寸，另外，有时机械强度降低。
C.接合部
代表性地，如图2所示，接合部20利用直接接合而将第二电极50和基板30一体化。通过利用直接接合将第二电极50和基板30一体化，能够良好地抑制光扫描元件中的剥离，结果，能够良好地抑制由这样的剥离所引起的电光晶体基板的损伤(例如裂纹)。
1个实施方式中，接合部20包括：保护层21、空腔加工层22、以及非晶质层23。
保护层21在后述的光扫描元件的制造工序中对第二电极50的下表面予以保护。代表性地，保护层21设置于第二电极50的整个下表面。代表性地，保护层21具有与保护层43同样的构成。也可以没有保护层21。
空腔加工层22构成为形成空腔80时的蚀刻剩余部分。代表性地，空腔加工层22位于保护层21与非晶质层23之间。
非晶质层23是将空腔加工层22和基板30接合的接合层。非晶质层23为利用空腔加工层22与基板30的直接接合而形成于接合界面的层。非晶质层如其名称具有非晶质结构，可以含有构成空腔加工层22的元素和构成基板30的元素。像这样，通过将空腔加工层22和基板30直接接合，能够在空腔加工层22与基板30的接合界面形成非晶质层23。即，通过将空腔加工层22和基板30直接接合，能够避免电光晶体基板与基板的直接接合，因此，能够防止在电光晶体基板形成非晶质层。结果，能够抑制电光晶体基板的光学特性降低或光学损耗。
本说明书中“直接接合”是指：未夹有粘接剂，2个层或基板(图示例中为空腔加工层22和基板30)接合。直接接合的形态可以根据被彼此接合的层或基板的构成而适当设定。例如，直接接合可以按以下的步骤来实现。在高真空腔体内(例如1×10－6Pa左右)，对待接合的构成要素(层或基板)各自的接合面照射中性束。由此，各接合面活化。接下来，在真空气氛内，使已活化的接合面彼此接触，于常温进行接合。该接合时的载荷可以为例如100N～20000N。1个实施方式中，在利用中性束进行表面活化时，向腔体导入非活性气体，从直流电源向配置于腔体内的电极施加高电压。如果是这样的构成，则电子因电极(正极)与腔体(负极)之间产生的电场而进行运动，从而生成非活性气体的原子和离子的射束。到达栅极的射束中的离子射束在栅极被中和，因此，中性原子的射束从高速原子射束源射出。构成射束的原子种类优选为非活性气体元素(例如氩(Ar)、氮(N))。利用射束照射进行活化时的电压为例如0.5kV～2.0kV，电流为例如50mA～200mA。应予说明，直接接合的方法不限定于此，也可以应用利用FAB(Fast Atom Beam)或离子枪的表面活化法、原子扩散法、等离子体接合法等。
保护层21及空腔加工层22可以分别根据目的、光子晶体层所期望的构成、光扫描元件的制造方法(实质上为蚀刻工艺)而采用任意的适当构成。具体而言，保护层21及空腔加工层22分别可以为单一层，也可以具有层叠结构。另外，保护层及空腔加工层的构成材料(保护层及空腔加工层中的至少1者具有层叠结构的情况下，各自的层的构成材料)也可以根据目的、光子晶体层所期望的构成、蚀刻工艺而适当选择。
1个实施方式中，保护层21和/或空腔加工层22具有比电光晶体基板11的折射率(介电常数)小的折射率(介电常数)。据此，接合部20可以作为低折射率部发挥作用。保护层21及空腔加工层22优选由同一材料构成。作为保护层21及空腔加工层22的材料，代表性地，可以举出SiO2。
保护层21及空腔加工层22各自的折射率优选为2以下，优选为1.8以下，代表性的为1.4以上。
D.空腔
空腔80是通过将空腔加工层22利用蚀刻除去而形成的，可以作为下部包层发挥作用。空腔的宽度优选大于光波导的宽度。空腔80优选从光波导16延伸到至少第3列格子列。光不仅在光波导内传播，有时光能量的一部分扩散至光波导附近的格子列，因此，通过在这样的格子列的正下方设置空腔，能够抑制由光泄漏导致的传播损耗。从该观点出发，空腔80更优选从光波导16延伸至第5列，进而，可以形成于空穴形成部的整个区域。
图示例中，空腔80按在光子晶体层10的厚度方向上与空穴形成部的整个区域重叠的方式延伸。
空腔的高度优选为0.1μm以上，优选为0.2μm以上，代表性的为1.2μm以下。另外，空腔的高度相对于光的波长λ而优选为0.2λ～1.2λ的范围。
如果是这样的高度，则薄板板坯作为光子晶体发挥作用，能够实现波长选择性更高、低损耗的光波导。可以通过调整后述的牺牲层81的厚度来控制空腔的高度。
E.基板
基板30具有：位于复合基板内的上表面、以及在外部露出的下表面。基板30是为了提高复合基板的强度而设置的，据此，能够使电光晶体基板的厚度变薄。作为基板30，可以采用任意的适当构成。作为构成基板30的材料的具体例，可以举出：硅(Si)、玻璃、硅铝氧氮陶瓷(Si3N4－Al2O3)、多铝红柱石(3Al2O3·2SiO2，2Al2O3·3SiO2)、氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)、氧化镁(MgO)、蓝宝石、石英、水晶、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化镓(Ga2O3)。应予说明，构成基板30的材料的线膨胀系数越接近于构成电光晶体基板11的材料的线膨胀系数越理想。如果是这样的构成，则能够抑制复合基板的热变形(代表性的为翘曲)。优选为，构成基板30的材料的线膨胀系数相对于构成电光晶体基板11的材料的线膨胀系数而言为50％～150％的范围内。从该观点出发，支撑基板可以为与电光晶体基板11相同的材料。
F.衍射光栅
如上所述，图示例的衍射光栅60为俯视与波导方向正交的方向上的光栅图案，在沿波导方向的截面中，交替形成有宽度Λ/2的凸部和宽度Λ/2的狭缝。凸部及狭缝的周期优选为40nm～1000nm，更优选为100nm～800nm，进一步优选为150nm～650nm。如果凸部及狭缝的周期(亦即，作为它们的宽度的1/2倍的宽度)为这样的范围，则容易实现所期望的出射角。应予说明，凸部及狭缝的宽度可以并非周期的1/2。凸部的厚度或狭缝的深度可以为例如10nm～300nm。如果是这样的范围，则具有如下优点，即，在光波导中传播的光因由衍射光栅的凹凸所引起的有效折射率差而周期性地反射，能够表现出衍射效应。
衍射光栅(实质上为凸部)只要得到所期望的出射光，就可以由任意的适当材料构成。作为构成衍射光栅的材料，代表性地，可以举出金属氧化物。作为具体例，可以举出：氧化钽、氧化硅、氧化铝、氧化钛、氧化铌、氧化镁、氧化钨、氧化铪。另外，衍射光栅可以直接形成于电光晶体基板。
G.电极(第一电极及第二电极)
从光子晶体层10的厚度方向(上下方向)来看，第一电极40与光波导16重叠。第一电极40可以与多个空穴12重叠，也可以不与多个空穴12重叠。
如图1所示，1个实施方式中，第一电极40以与光波导16、以及多个空穴12中的至少1个重叠的方式配置于电光晶体基板11(光子晶体层10)上。如果第一电极与空穴重叠，则能够将由电压施加产生的电场稳定地施加于周期空穴部分，从而能够使光波导的有效折射率高效地变化。因此，能够进一步减少光扫描元件的驱动电力。
图示例的光扫描元件100中，第一电极40在光子晶体层10的厚度方向上与全部空穴12重叠。1个实施方式中，第一电极40具有与空穴12相通的第一孔41。
另外，如图3所示，第一电极40可以按不与空穴12重叠的方式仅配置于光波导16的正上方。
如上所述，第一电极40相对于光而透明。更详细而言，第一电极40中的波长1.025μm的光的透过率例如为80％以上，优选为90％以上，例如为100％以下。即，第一电极40可以为透明电极。
如果第一电极相对于光而透明，则能够抑制从光波导的上表面射出的光被第一电极吸收。
第一电极40(透明电极)可以由任意的适当材料构成。
作为构成第一电极40的材料，例如可以举出：铝掺杂氧化锌(AZO)、镓掺杂氧化锌(GZO)、氧化硅、氧化铟锡(ITO)、In－Ga－Zn－O氧化物半导体(IGZO)、氧化锡等。
第一电极40可以为单层，也可以为二层以上的层叠体。代表性地，第一电极40的厚度为50nm以上且300nm以下。
从光子晶体层10的厚度方向(上下方向)来看，第二电极50与光波导16重叠。代表性地，第二电极50与多个空穴12重叠。图示例的实施方式中，第二电极50在光子晶体层10的厚度方向上与全部空穴12重叠。1个实施方式中，第一电极40具有与空穴12相通的第二孔51。
图1及图3所示的图示例中，第二电极50与第一电极40同样地相对于光而透明。第二电极50中的波长1.025μm的光的透过率的范围与例如上述的第一电极40中的波长1.025μm的光的透过率的范围相同。即，第二电极50可以为透明电极。
这种情况下，作为构成第二电极50(透明电极)的材料，可以采用任意的适当材料，代表性地，可以举出上述的构成第一电极40的材料。
第二电极50(透明电极)可以为单层，也可以为二层以上的层叠体。代表性地，第二电极50的厚度为50nm以上且300nm以下。
H.光扫描元件的制造方法
参照图10(a)～图13(c)，对光扫描元件的制造方法的一例简单地进行说明。
首先，如图10(a)所示，准备电光晶体基板11，在电光晶体基板11上利用例如溅射形成第二电极50。接下来，如图10(b)所示，在第二电极50上利用例如溅射形成保护层21。接下来，如图10(c)所示，在保护层21上形成已图案化的牺牲层81。详细而言，在保护层21的整面利用例如溅射形成牺牲层81之后，通过例如光刻而形成将规定部分被覆的抗蚀剂掩膜图案，利用借助了掩膜图案的反应性离子蚀刻或湿蚀刻(例如在蚀刻液中的浸渍)，形成已图案化的牺牲层81。
接下来，如图11(a)所示，以将牺牲层81被覆的方式在保护层21上利用例如溅射形成空腔加工层22。之后，如图11(b)所示，根据需要将空腔加工层22利用研磨调整为规定的厚度，之后，对空腔加工层22的表面进行清洗。接下来，如图11(c)所示，在空腔加工层22上利用例如溅射形成非晶质层23。之后，根据需要对非晶质层23的表面进行研磨。
接下来，如图12(a)所示，以非晶质层23及基板30为接合面，将电光晶体基板11/第二电极50/接合部20的层叠体直接接合于基板30。由此，可以得到电光晶体基板11、第二电极50以及基板30实现了一体化的复合基板。接下来，如图12(b)所示，在待形成光波导16的位置形成衍射光栅60。
详细而言，在电光晶体基板11的整面利用例如溅射形成金属掩膜后，形成沿与波导的波导方向实质上正交的方向延伸的条纹形状的树脂图案。接下来，利用例如借助了树脂图案的干蚀刻(例如反应性离子蚀刻)，将金属掩膜形成为条纹形状，之后，利用例如借助了条纹形状的金属掩膜的干蚀刻(例如反应性离子蚀刻)，形成衍射光栅60。之后，根据需要将金属掩膜除去。
接下来，如图12(c)所示，在电光晶体基板11上利用例如溅射形成第一电极40。之后，根据需要，如图12(d)所示，在第一电极40上利用例如溅射形成保护层43。
接下来，如图13(a)所示，在电光晶体基板11形成多个空穴12，制成光子晶体层10。详细而言，在保护层43的整面利用例如溅射形成金属掩膜后，在金属掩膜上形成以规定的配置具有空穴的树脂图案。接下来，利用借助了例如树脂图案的干蚀刻(例如反应性离子蚀刻)，在金属掩膜形成与树脂图案对应的空穴。之后，利用借助了具有多个空穴的金属图案的干蚀刻(例如反应性离子蚀刻)，在保护层43、第一电极40、电光晶体基板11、第二电极50以及保护层21形成空穴。
接下来，如图13(b)所示，利用反应性离子蚀刻或湿蚀刻(例如在蚀刻液中的浸渍)，将牺牲层81除去，形成空腔80。之后，将金属掩膜利用湿蚀刻(例如在蚀刻液中的浸渍)除去。
之后，根据需要，如图13(c)所示，利用借助了规定掩膜的干蚀刻(例如反应性离子蚀刻)，使第一电极40的一部分及第二电极50的一部分露出。之后，可以在这些电极的露出部分利用例如剥离形成金属焊盘71。
通过以上操作，可以得到光扫描元件。
当然光扫描元件的制作可以采用与图示例不同的工艺。
通过将复合基板的整体构成、复合基板的各层的构成材料、掩膜、蚀刻样式等适当组合，能够以高效的步骤且高精度形成衍射光栅、空穴以及空腔，从而能够制作光扫描元件。
I.光调制元件
本发明的波导元件不限定于上述的光扫描元件。图6是本发明的再一实施方式的光调制元件的概要立体图。图示例的光调制元件103中，光波导16为包括第一直线波导171和第二直线波导172的马赫曾德尔型光波导17。第一直线波导171和第二直线波导172彼此大致平行。第一电极40配置成：在光子晶体层10的厚度方向上与第一直线波导171重叠。另外，光调制元件103还具备第三电极42，该第三电极42设置于电光晶体基板11的上部，且相对于光而透明。第三电极42配置成：在光子晶体层10的厚度方向上与第二直线波导172重叠。第三电极42与电源72电连接。
如果与第一直线波导171重叠的第一电极40和与第二直线波导172重叠的第三电极42相对于光而透明，则能够抑制在马赫曾德尔型光波导17中传播的光被第一电极40及第三电极42吸收，从而能够减少传播损耗。
实施例
以下，通过实施例，对本发明具体地进行说明，不过，本发明并不受这些实施例的限定。
＜参考例1：等效折射率与出射角的关系的解析＞
1.等效折射率的波长依赖性及电场依赖性
针对与图1等同的光子晶体层，调查了在光波导中传播的光的等效折射率的波长依赖性及电场依赖性。此处，作为电光晶体基板使用铌酸锂晶体基板，基板厚度为0.4μm。电光晶体基板为Z切割的基板，电光晶体基板的c轴与电光晶体基板垂直。此外，空穴图案为三角格子图案，空穴周期为425nm，空穴的直径为289nm。采用这样的条件，利用FDTD(时间区域差分)法，将对光波导施加电压时的光波导的电场强度设为参数，计算出等效折射率差与波长的关系。将结果示于图14。由图14可知，在光子带的短波长域，等效折射率差的波长依赖性的变化小到仿照通常的折射率的波长分散的程度。另外，电场依赖性为与电光效应(泡克尔斯效应)相应地、数值变大的程度。另一方面，在光子带的长波长域，波长依赖性及电场依赖性的变化量均变大。应予说明，图14中的等效折射率差ΔNeff以下式表示。此处，Neff(0)为未施加电压时的等效折射率，Neff(V)为施加电压时的等效折射率。
ΔNeff＝Neff(V)－Neff(0)
根据上述1.的结果，将等效折射率差相对于施加电场的关系示于图15。波长为0.96μm、1μm、1.025μm、1.026μm，电场为0.1V/μm、10V/μm、20V/μm、50V/μm。由图15可知，等效折射率差相对于电压(电场)而线性变化。另外，可知：越接近光子带边缘的长波长侧，依赖于电压(电场)的等效折射率差越大。可知：在波长1.025μm的情况下，等效折射率因电场20V/μm而变化了0.38。应予说明，施加电压(电场)的上限可以根据电光晶体基板的构成材料而发生变化。例如铌酸锂晶体的情况下，绝缘破坏电场为20V/μm，因此，需要使其以该值以下的电场进行动作。对于该现象，在相反方向的电场也发生同等的变化，因此，通过施加±20V/μm的电场，使得等效折射率变化至0.76。
2.施加电压与出射角的关系
采用上式(3)，计算出图1的光扫描元件中的施加电压与出射角(偏转角)的关系。具体如下。当将在光波导中传播的光的传播常数设为β时，式(3)的左边可以以式(4)表示。式(4)中的衍射级数q为－1。
β－2π/Λ＝βN (4)
另一方面，当包层的折射率按空气计na＝1时，右边可以以式(5)表示。
2π/λ·sinθa＝k0·sinθa (5)
将空穴周期d设为425nm，将波长λ设为1.025μm的情况下，在未施加电压的状态下，根据FDTD的计算，传播常数β为0.75×(2π/d)。此处，空穴周期d与波长λ的关系满足d/λ＝0.414，因此，得到式(6)的关系。
β＝1.81k0 (6)
将式(6)中得到的结果代入式(4)，衍射光栅Λ为567nm的情况下，2π/Λ为1.81k0，因此，式(4)满足βN＝0。结果，根据式(4)及(5)，θa＝0°。接下来，施加电压并将电场强度设为－20V/μm的情况下，等效折射率变化－0.38，因此，根据FDTD的计算，传播常数β为0.39×(2π/d)。所以，β＝0.94k0，与上述同样地计算，βN＝－0.87k0，根据式(4)及(5)，θa＝60°。此外，施加电压并将电场强度设为20V/μm的情况下，等效折射率变化+0.38，因此，根据FDTD的计算，传播常数β为1.11×(2π/d)。因此，β＝2.67k0，与上述同样地计算，βN＝0.87k0，根据式(4)及(5)，θa＝－60°。将以上结果示于图16。由图16可知：使施加电压从－20V/μm变化至20V/μm时，出射角能够从约－60°变化至约+60°，可变约120°。结合图15的结果考虑，在光子带的长波长侧，等效折射率的电场依赖性变大，能够使等效折射率相对于电场变化的变化量变大，因此，能够使出射角变为较宽范围。
＜实施例1：光扫描元件的制作：上部电极(整面)＞
制作图1所示的光扫描元件。
1.下部电极(第二电极、透明电极)的形成
作为电光晶体基板，准备直径4英寸的Z切割铌酸锂基板(折射率2.2)。首先，在电光晶体基板上溅射铝掺杂氧化锌(AZO、折射率1.5)，形成作为透明电极(第二电极)的AZO膜(厚度100nm)(参照图10(a))。
2.接合部(保护层、牺牲层以及空腔加工层)的形成
接下来，在第二电极(AZO膜)上溅射氧化硅，形成作为保护层的SiO2膜(厚度50nm)(参照图10(b))。
接下来，在保护层上形成已图案化的牺牲层(参照图10(c))。详细而言，在SiO2膜(保护层)的整面溅射非晶质Si，形成非晶质Si膜(厚度300nm)。接下来，在非晶质Si膜上涂布抗蚀剂，通过光刻，形成将非晶质Si膜中的成为牺牲层部的部分(宽度20μm、长度1mm)被覆的抗蚀剂掩膜图案。之后，利用氟系反应性离子蚀刻，将非晶质Si膜中的除由抗蚀剂掩膜被覆的部分以外的部分除去，形成牺牲层。
接下来，以将牺牲层被覆的方式在保护层上形成空腔加工层(参照图11(a))。详细而言，以将牺牲层被覆的方式在SiO2膜(保护层)上溅射氧化硅，形成作为空腔加工层的SiO2膜(厚度1.5μm)。在空腔加工层的表面形成有由牺牲层带来的台阶。之后，对空腔加工层的表面进行CMP研磨，使厚度为1.0μm，同时使表面的算术平均粗糙度Ra为0.2nm以下(参照图11(b))。
接下来，在空腔加工层上形成作为接合层的非晶质层(参照图11(c))。详细而言，对SiO2膜(空腔加工层)的表面进行清洗后，在SiO2膜(空腔加工层)上溅射高电阻的非晶质Si(HR－a－Si)，形成非晶质层(厚度100nm)。此外，对非晶质层的表面进行CMP研磨，使非晶质层的表面的算术平均粗糙度Ra为0.2nm以下。
3.复合晶片化(直接接合)
作为基板，准备直径4英寸的硅基板。对非晶质层(接合层)的表面进行清洗后，将接合层和基板如下直接接合，使电光晶体基板、第二电极以及基板实现一体化(参照图12(a))。首先，在10－6Pa左右的真空中，对接合部的接合面(非晶质层的表面)以及基板的接合面(表面)分别照射高速Ar中性原子束(加速电压1kV、Ar流量60sccm)70秒钟。照射后，放置10分钟，将电光晶体基板及基板放冷后，使非晶质层的表面与基板接触，以4.90kN加压2分钟，将接合部和基板接合。
接下来，进行研磨加工直至电光晶体基板的厚度达到0.4μm，得到复合基板。得到的复合基板中，在接合界面没有观察到剥离等不良。
4.衍射光栅的形成
在上述3.中得到的复合基板的电光晶体基板表面形成衍射光栅(参照图12(b))。具体如下。首先，将铝(Al)在电光晶体基板表面成膜作为金属掩膜，进而，在金属掩膜上利用EB绘图法形成树脂图案。在电光晶体基板的成为光波导的部分的上部，按沿与光波导的波导方向正交的方向延伸的周期567nm(线/空间：283.5nm/283.5nm)的条纹形状，以光波导的波导方向上的长度1000μm形成树脂图案。接下来，利用以该树脂图案为掩膜的氯系反应性离子蚀刻，形成衍射光栅图案状的金属掩膜。接下来，利用借助了衍射光栅图案状的金属掩膜的氟系反应性离子蚀刻，对电光晶体基板进行蚀刻，形成深度0.05μm的衍射光栅沟。最后，将金属掩膜利用Al蚀刻液除去。由此，在电光晶体基板的成为光波导的部分形成衍射光栅。
5.上部电极(第一电极、透明电极)的形成
在上述4.中得到的形成有衍射光栅的复合基板的电光晶体基板表面形成透明电极(第一电极)(参照图12(c))。详细而言，以将衍射光栅被覆的方式在电光晶体基板整面溅射铝掺杂氧化锌(AZO)，形成作为透明电极(第一电极)的AZO膜(厚度100nm)。之后，在第一电极(AZO膜)溅射氧化硅，形成作为保护层的SiO2膜(厚度50nm)(参照图12(d))。所形成的第一电极与第二电极之间的间隙为0.4μm。
6.光扫描元件的制作
由上述5.中得到的形成有衍射光栅及电极的复合基板，按以下步骤制作光扫描元件(参照图13(a)至图13(c))。详细而言，首先，在保护层(SiO2膜)上将铬(Cr)成膜作为金属掩膜。接下来，在金属掩膜上，利用EB绘图法形成按规定的配置具有空穴的树脂图案。具体而言，作为与光子晶体的空穴对应的空穴图案，在衍射光栅的左右两侧形成在光波导方向及与光波导方向正交的方向上分别以425nm的周期(间距)具有直径289nm的空穴的10列格子列。空穴没有形成于中央部(最终，该部分成为光波导)。进而，在角部(左右的格子列部分的成为光波导的部分的相反侧的端部的输入部侧及输出部侧)形成4个直径10μm的空穴(蚀刻用贯通孔的图案)。接下来，利用氟系反应性离子蚀刻，在Cr掩膜形成与上述图案对应的空穴。接下来，利用借助了形成有图案的Cr掩膜的氟系反应性离子蚀刻，在第一电极、电光晶体基板、第二电极以及保护层形成空穴图案及蚀刻用贯通孔。
接下来，将复合基板暴露于XeF2气体气氛中，将作为牺牲层的非晶质Si除去，形成空腔。进而，将Cr掩膜的剩余部分利用Cr蚀刻液(硝酸二铵铈：过氯酸：水的混合比15：5：80的混合液)除去。之后，利用薄膜抗蚀剂形成掩膜，并利用氟系反应性离子蚀刻，将第一电极及光子晶体层的一部分除去，使作为第二电极的AZO膜的一部分露出(参照图13(c))。之后，同样地，将保护层的一部分除去，使作为第一电极的AZO膜露出(参照图13(c)。通过这些操作，得到能够对光扫描元件施加电压的结构。
通过以上操作，得到光扫描元件晶片。将得到的光扫描元件晶片利用切割进行芯片切断，得到光扫描元件。光扫描元件的光波导的长度为1mm。应予说明，芯片切断后，对光波导的输入侧端面及输出侧端面实施端面研磨。
针对得到的光扫描元件(芯片)，测定光插入损耗。具体而言，通过与光纤结合的输入侧的圆头光纤，将波长1.025μm的激光导入于芯片(实质上为光子晶体层的光波导)，利用光检测器测定通过输出侧的圆头光纤而输出的光量，计算出传播损耗。光波导的传播损耗为0.5dB/cm。
进而，将对光扫描元件的电极间施加的电压(驱动电压)在±8V之间切换，观察从光波导输出的激光的图案和出射角。关于激光的图案及出射角，利用大塚电子制高速配光测定系统(RH50)测定扇的角度和施加电压的出射角依赖特性。结果，被输出的激光为俯视呈线状且从光波导方向来看呈扇状的所谓的扇形射束状，扇的角度(扇形的扩展角度)为30°。另外，关于出射角，确认到：通过使施加电压发生变化，能够使其以光扫描元件的法线方向为基准从－60°变化至+60°。
另外，为了对响应性进行实验验证，观测了是否能够以电压±3V、50MHz扫描光。结果，能够确认到可以毫无问题地扫描。从原理来看，本发明的实施方式的光扫描元件依赖于电光效应的响应性，因此，可以推测能够以GHz等级进行动作。应予说明，光扫描元件的动作有时受到电极结构的影响。
＜实施例2：光扫描元件的制作：上部电极(仅线缺陷波导部上)＞
除了以下点以外，利用与实施例1同样的工艺制作图3所示的光扫描元件。
5.上部电极(第一电极、透明电极)的形成中，以将衍射光栅被覆的方式在电光晶体基板上溅射铝掺杂氧化锌(AZO)，形成作为透明电极(第一电极)的AZO膜(厚度100nm)。之后，在第一电极(AZO膜)溅射氧化硅，形成作为保护层的SiO2膜(厚度50nm)。为了仅在线缺陷的光波导上形成第一电极，在保护层上涂布抗蚀剂，通过光刻形成将成为第一电极的部分(宽度1μm、长度1mm)掩盖的抗蚀剂掩膜图案。之后，利用氟系反应性离子蚀刻，对从抗蚀剂掩膜露出的保护层(SiO2膜)和AZO膜进行蚀刻，形成第一电极。最后，使用丙酮将抗蚀剂掩膜除去。所形成的第一电极与第二电极之间的间隙为0.4μm。
由上述得到的形成有衍射光栅及电极的复合基板制作光扫描元件。具体而言，利用与实施例1同样的方法制作。
针对得到的光扫描元件(芯片)，测定光插入损耗。具体而言，通过与光纤结合的输入侧的圆头光纤，将波长1.025μm的激光导入于芯片(实质上为光子晶体层的光波导)，利用光检测器测定通过输出侧的圆头光纤而输出的光量，计算出传播损耗。光波导的传播损耗为0.5dB/cm。
进而，将对光扫描元件的电极间施加的电压(驱动电压)在±8V之间切换，观察从光波导输出的激光的图案和出射角。关于激光的图案及出射角，利用大塚电子制高速配光测定系统(RH50)测定扇的角度和施加电压的出射角依赖特性。结果，被输出的激光为俯视呈线状且从光波导方向来看呈扇状的所谓的扇形射束状，扇的角度(扇形的扩展角度)为30°。另外，关于出射角，确认到：通过使施加电压发生变化，能够使其以光扫描元件的法线方向为基准从－40°变化至+40°。
另外，为了对响应性进行实验验证，观测了是否能够以电压±3V、50MHz扫描光。结果，能够确认到可以毫无问题地扫描。
实施例1及2中，驱动电压均为±8V，不过，实施例2的出射角的可变范围(－40°至+40°)小于实施例1的出射角的可变范围(－60°至+60°)。理解为：实施例2的构成中，为了将出射角的可变范围扩大至与实施例1相同程度(－60°至+60°)，需要更大的驱动电压。
与实施例1相比较，确保出射角的可变范围所需的驱动电压变大的理由认为如下：由电压施加带来的电场未施加于周期空穴部分，因此，在波导中传播的有效折射率的变化变小，需要更大的电压。
＜实施例3：光调制元件的制作＞
除了以下点以外，利用与实施例2同样的工艺制作图6所示的光调制元件。
光调制元件的情况下，线缺陷波导为马赫曾德尔型的干涉图案且包括第一直线波导和第二直线波导。第一直线波导及第二直线波导各自的长度为5mm。第一电极配置成：在光子晶体层的厚度方向上与第一直线波导重叠。此外，与第一电极同样地形成第三电极。第三电极配置成：在光子晶体层的厚度方向上与第二直线波导重叠。另外，将作为空腔加工层的SiO2膜的厚度变更为2μm。另外，没有在电光晶体基板形成衍射光栅。
针对得到的光调制元件(芯片)，测定光插入损耗。具体而言，通过与光纤结合的输入侧的圆头光纤，将波长1.025μm的激光导入于芯片(实质上为光子晶体层的光波导)，利用光检测器测定通过输出侧的圆头光纤而输出的光量，计算出传播损耗。光波导的传播损耗为0.5dB/cm。
为了评价光调制特性，对第一电极及第三电极分别(上部透明电极)输入频率10GHz、电压5V的差动信号，观察输出光，结果，能够观察到消光比15dB以上的眼开口图案。
＜比较例1：光扫描元件的制作：x板LN结构＞
作为电光晶体基板使用了直径4英寸的X切割铌酸锂基板，除此以外，利用与实施例1同样的方法制作形成有衍射光栅的复合基板。
接下来，在形成有衍射光栅的复合基板的电光晶体基板表面形成一对透明电极，这一对透明电极设置于电光晶体基板的上部，且在与波导方向正交的方向上彼此空开间隔地配置。详细而言，以将衍射光栅被覆的方式在电光晶体基板整面溅射铝掺杂氧化锌(AZO)，形成AZO膜(厚度100nm)。之后，在AZO膜溅射氧化硅，形成作为保护层的SiO2膜(厚度50nm)。在保护层上涂布抗蚀剂，通过光刻，形成将成为一对透明电极的部分掩盖的抗蚀剂掩膜图案。之后，利用氟系反应性离子蚀刻，对从抗蚀剂掩膜露出的保护层(SiO2膜)和AZO膜进行蚀刻，在电光晶体基板的上部形成一对透明电极。最后，使用丙酮将抗蚀剂掩膜除去。所形成的一对透明电极之间的间隙为1.0μm。
由上述得到的形成有衍射光栅及电极的复合基板制作光扫描元件。具体而言，利用与实施例1同样的方法制作。
针对得到的光扫描元件(芯片)，测定光插入损耗。具体而言，通过与光纤结合的输入侧的圆头光纤，将波长1.025μm的激光导入于芯片(实质上为光子晶体层的光波导)，利用光检测器测定通过输出侧的圆头光纤而输出的光量，计算出传播损耗。光波导的传播损耗为0.5dB/cm。
进而，将对光扫描元件的电极间施加的电压(驱动电压)在±25V之间切换，观察从光波导输出的激光的图案和出射角。关于激光的图案及出射角，利用大塚电子制高速配光测定系统(RH50)测定扇的角度和施加电压的出射角依赖特性。结果，被输出的激光为俯视呈线状且从光波导方向来看呈扇状的所谓的扇形射束状，扇的角度(扇形的扩展角度)为30°。另外，关于出射角，确认到：通过使施加电压发生变化，能够使其以光扫描元件的法线方向为基准从－60°变化至+60°。
另外，为了对响应性进行实验验证，观测了是否能够以电压±4V、50MHz扫描光。结果，能够确认到可以毫无问题地扫描。
比较例1中，为了使扇的角度(扇形的扩展角度)为30°的扇形射束以－60°至+60°的出射角的范围进行变化，需要±25V的驱动电压。与此相对，实施例1中，与比较例1同样的扇形射束的输出所需的驱动电压为±8V，确认到驱动电压显著减少。认为这是因为：将第一电极及第二电极配置于电光晶体基板的上下的方案(实施例1)与1对透明电极配置于电光晶体基板的上部的方案(比较例1)相比较，能够使第一电极与第二电极之间的间隔变小，从而能够使位于第一电极与第二电极之间的光波导高效地产生电场。
＜比较例2：光扫描元件的制作：硅基板＞
使用硅基板代替X切割铌酸锂基板(电光晶体基板)，并且，使空穴的直径为204nm，使周期为300nm，除此以外，与比较例1同样地制作光扫描元件(芯片)。将得到的光扫描元件进行与比较例1同样的评价。结果，光波导的传播损耗为0.5dB/cm。此外，被输出的激光为俯视呈线状且从光波导方向来看呈扇状的所谓的扇形射束状，扇的角度(扇形的扩展角度)为30°。另外，即便使对光扫描元件施加的电压发生变化，出射角也没有变化。
产业上的可利用性
本发明的实施方式的波导元件能够广泛用作光扫描元件及光调制元件。光扫描元件用作例如激光雷达、激光扫描仪、LIDAR，可以应用于汽车的自动驾驶控制用、或者机器人或无人机的位置控制用的障碍物监测系统、测距系统。
符号说明
10电光晶体基板
12空穴
16光波导
20接合部
30支撑基板
40第一电极
50第二电极
60衍射光栅
80空腔
100光扫描元件
101光扫描元件
103光调制元件
104光扫描元件

Claims (10)

1.一种波导元件，其中，具备：
光子晶体层，该光子晶体层是在电光晶体基板周期性地形成空穴而成的；
线缺陷的光波导，该光波导形成在所述光子晶体层中；
第一电极，该第一电极设置于所述电光晶体基板的上部，相对于光而透明；以及
第二电极，该第二电极设置于所述电光晶体基板的下部，
所述第一电极及所述第二电极分别在所述光子晶体层的厚度方向上与所述光波导重叠。
2.根据权利要求1所述的波导元件，其中，
所述第二电极相对于光而透明，且与所述电光晶体基板接触，
所述第一电极及所述第二电极各自的折射率小于所述电光晶体基板的折射率。
3.根据权利要求2所述的波导元件，其中，还具备：
基板，该基板设置于所述第二电极的下部；以及
低折射率部，该低折射率部位于所述第二电极与所述基板之间，具有比所述电光晶体基板的折射率小的折射率，
所述低折射率部的至少一部分在所述光子晶体层的厚度方向上与所述光波导重叠。
4.根据权利要求3所述的波导元件，其中，
还具备接合部，该接合部设置于所述第二电极与所述基板之间，用于将所述第二电极和所述基板接合，
所述接合部具有作为所述低折射率部发挥作用的空腔。
5.根据权利要求1所述的波导元件，其中，
还具备低折射率部，该低折射率部位于所述电光晶体基板与所述第二电极之间，具有比所述电光晶体基板的折射率小的折射率，
所述低折射率部在所述光子晶体层的厚度方向上与所述光波导重叠。
6.根据权利要求5所述的波导元件，其中，
还具备接合部，该接合部设置于所述电光晶体基板与所述第二电极之间，用于将所述电光晶体基板和所述第二电极接合，
通过所述电光晶体基板的下表面、所述第二电极的上表面以及所述接合部而规定出作为所述低折射率部发挥作用的空腔。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的波导元件，其中，
所述电光晶体基板由选自由铌酸锂、钽酸锂、磷酸钛氧钾、铌酸钾锂、铌酸钾、钽铌酸钾、以及铌酸锂与钽酸锂的固溶体构成的组中的1种构成。
8.一种光扫描元件，其中，
包括权利要求1至7中的任一项所述的波导元件，
所述波导元件还具备衍射光栅，该衍射光栅设置于从所述光波导的上部、左侧面部以及右侧面部中选择的至少1个部分，
所述光扫描元件构成为：从所述光波导的上表面射出的光的出射角发生变化。
9.一种光调制元件，其中，
包括权利要求1至7中的任一项所述的波导元件，
所述光波导为包括第一直线波导和第二直线波导的马赫曾德尔型光波导，
所述第一电极配置成：在所述光子晶体层的厚度方向上与所述第一波导重叠。
10.根据权利要求9所述的光调制元件，其中，
还具备第三电极，该第三电极设置于所述电光晶体基板的上部，相对于光而透明，
所述第三电极配置成：在所述光子晶体层的厚度方向上与所述第二波导重叠。
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