DE112021002832T5

DE112021002832T5 - Optisches Abtastelement

Info

Publication number: DE112021002832T5
Application number: DE112021002832.4T
Authority: DE
Inventors: Jungo Kondo; Kentaro Tani; Keiichiro Asai; Tomoyoshi Tai
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2020-07-20
Filing date: 2021-07-08
Publication date: 2023-03-02
Also published as: WO2022019143A1; JPWO2022019143A1; JP7274608B2; US20230103702A1

Abstract

Es wird ein optisches Abtastelement bereitgestellt, das einen großen Abtastwinkel aufweist, rasch anspricht und verkleinert werden kann. Das optische Abtastelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst: Eine photonische Kristallschicht mit Löchern, die periodisch in einem elektro-optischen Kristallsubstrat ausgebildet sind; einen Lichtwellenleiter mit eindimensionaler Gitterstörung, der in der photonischen Kristallschicht ausgebildet ist; ein Beugungsgitter, das in mindestens einem Abschnitt, ausgewählt aus einem oberen Abschnitt, einem linksseitigen Oberflächenabschnitt und einem rechtsseitigen Oberflächenabschnitt des Lichtwellenleiters, angeordnet ist; und Elektroden, die auf einer linken Seite und einer rechten Seite des Lichtwellenleiters angeordnet sind. Das optische Abtastelement ist so ausgebildet, dass ein Emissionswinkel von Licht, das von einer oberen Oberfläche des Lichtwellenleiters emittiert wird, geändert wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Abtastelement.
Stand der Technik
Einhergehend mit dem Fortschritt bei Multimedia und digitalen Leitsystemen gab es einen wachsenden Bedarf für eine hochauflösende hohe Bildqualität und Anzeigen oder Projektoren mit großem Bildschirm und somit wurde die Entwicklung eines optischen Abtastelements zum Abtasten eines Gegenstands mit Laserlicht bei einem breiten Winkel aktiv verfolgt. In den letzten Jahren wurden Untersuchungen bezüglich der Anwendung des optischen Abtastelements auf ein Hindernis-Erfassungssystem oder ein Entfernungsmesssystem für die Steuerung eines automatischen Betriebs eines Kraftfahrzeugs bzw. Automobils oder für die Positionssteuerung eines Roboters oder einer Drohne durchgeführt, da das Element als Laserradar, Laserabtasteinrichtung bzw. -scanner oder zur Lichterfassung und -entfernungsmessung (LIDAR) verwendet werden kann. Eine Lichtablenkeinrichtung, die durch Anordnen eines Abstrahlungsmechanismus auf einem photonischen Siliziumkristall-Wellenleiter erhalten wird, wurde als ein Beispiel für das optische Abtastelement vorgeschlagen (Patentdokumente 1 bis 4). Eine solche Lichtablenkeinrichtung weist jedoch einen Aufbau auf, bei dem sich deren Ablenkwinkel für jede Wellenlänge ändert oder der Ablenkwinkel durch Erwärmen des Elements geändert wird. Demgemäß ist, wenn die Lichtablenkeinrichtung in solchen Anwendungen, wie sie vorstehend beschrieben worden sind, verwendet wird, deren Abtastwinkel nicht ausreichend. Darüber hinaus weist die Lichtablenkeinrichtung eines solchen Typs, bei dem sich der Ablenkwinkel für jede Wellenlänge ändert, ein Problem dahingehend auf, dass eine Mehrzahl von Lichtquellen mit verschiedenen Wellenlängen erforderlich ist, und die Lichtablenkeinrichtung eines solchen Typs weist, da sie erwärmt wird, ein Problem dahingehend auf, dass deren Ansprechen langsam ist.
Dokumentenliste
Patentdokumente

[PTL 1] WO 2017/126386 A1
[PTL 2] WO 2018/003852 A1
[PTL 3] WO 2018/186471 A1
[PTL 4] JP 4208754 B2

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines optischen Abtastelements, das einen großen Abtastwinkel aufweist, rasch anspricht und verkleinert werden kann.
Lösung des Problems
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein optisches Abtastelement bereitgestellt, umfassend: Eine photonische Kristallschicht mit Löchern, die periodisch in einem elektro-optischen Kristallsubstrat ausgebildet sind; einen Lichtwellenleiter mit eindimensionaler Gitterstörung, der in der photonischen Kristallschicht ausgebildet ist; ein Beugungsgitter, das in mindestens einem Abschnitt, ausgewählt aus einem oberen Abschnitt, einem linksseitigen Oberflächenabschnitt und einem rechtsseitigen Oberflächenabschnitt des Lichtwellenleiters, angeordnet ist; und Elektroden, die auf einer linken Seite und einer rechten Seite des Lichtwellenleiters angeordnet sind. Das optische Abtastelement ist so ausgebildet, dass ein Emissionswinkel von Licht, das von einer oberen Oberfläche des Lichtwellenleiters emittiert wird, geändert wird.
In einer Ausführungsform umfasst das optische Abtastelement ferner: Ein Trägersubstrat, das unterhalb des elektro-optischen Kristallsubstrats angeordnet ist, wobei das Trägersubstrat zum Stützen des elektro-optischen Kristallsubstrats ausgebildet ist; einen Verbindungsabschnitt, der zum miteinander Integrieren des elektro-optischen Kristallsubstrats und des Trägersubstrats ausgebildet ist; und einen Hohlraum, der durch eine untere Oberfläche des elektro-optischen Kristallsubstrats, eine obere Oberfläche des Trägersubstrats und den Verbindungsabschnitt festgelegt ist.
In einer Ausführungsform umfasst das optische Abtastelement ferner eine Überzugsschicht, die auf einer oberen Oberfläche der photonischen Kristallschicht angeordnet ist, wobei das Beugungsgitter in einem Abschnitt auf einer oberen Oberfläche der Überzugsschicht angeordnet ist, der dem Lichtwellenleiter entspricht.
In einer Ausführungsform weist das Beugungsgitter eine Mehrzahl von Gitterrillen auf, die sich in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu einer Wellenleiterrichtung des Lichtwellenleiters erstrecken.
In einer Ausführungsform weist der Lichtwellenleiter eine Länge von 5 mm oder weniger auf.
In einer Ausführungsform umfasst das elektro-optische Kristallsubstrat eines, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Lithiumniobat; Lithiumtantalat; Kaliumtitanatphosphat; Kaliumlithiumniobat; Kaliumniobat; Kaliumtantalatniobat; und einer festen Lösung von Lithiumniobat und Lithiumtantalat.
In einer Ausführungsform sind die Elektroden lichtdurchlässig und sind so oberhalb der photonischen Kristallschicht angeordnet, dass sie die Löcher überlappen.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden in dem optischen Abtastelement die photonische Kristallschicht mit Löchern, die periodisch in dem elektro-optischen Kristallsubstrat ausgebildet sind, und ein vorgegebenes Beugungsgitter in einer Kombination verwendet. Demgemäß kann ein optisches Abtastelement erhalten werden, das einen großen Abtastwinkel aufweist, rasch anspricht und verkleinert werden kann.
Figurenliste

1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines optischen Abtastelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Schnittansicht des optischen Abtastelements von 1.
3 ist eine schematische Schnittansicht eines optischen Abtastelements gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine schematische Schnittansicht zum Veranschaulichen der Ausbreitung und der Emission (Abstrahlung) von Licht in einem Beugungsgitter, das in dem optischen Abtastelement gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
5 ist eine schematische perspektivische Ansicht zum Veranschaulichen der Art und Weise, wie sich emittierte Lichtstrahlen, die von dem optischen Abtastelement gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung emittiert werden, ausbreiten.
6 ist eine Konzeptansicht zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Abtasten einer Gegenstandsoberfläche mit dem optischen Abtastelement gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7(a), 7(b), 7(c) und 7(d) sind jeweils eine schematische Schnittansicht zum Veranschaulichen eines Beispiels für ein Verfahren zur Herstellung des optischen Abtastelements gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 ist ein Graph, der die Wellenlängenabhängigkeit einer Differenz des äquivalenten Brechungsindex zeigt.
9 ist ein Graph, der Beziehungen zwischen der Differenz des äquivalenten Brechungsindex und einer angelegten Spannung (elektrisches Feld) bei verschiedenen Wellenlängen zeigt.
10 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen der angelegten Spannung und einem Emissionswinkel zeigt.
11 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines optischen Abtastelements gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12 ist eine schematische Schnittansicht des optischen Abtastelements von 11.

Beschreibung von Ausführungsformen
Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Der Ausdruck „linke Seite“ oder „rechte Seite“, wie er hier verwendet wird, steht für eine linke Seite oder eine rechte Seite bezogen auf die Wellenleiterrichtung eines Lichtwellenleiters (die Richtung, in der sich Licht in dem Lichtwellenleiter ausbreitet).
A. Gesamtaufbau und Betrieb des optischen Abtastelements
A-1. Gesamtaufbau
Die 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines optischen Abtastelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und die 2 ist eine schematische Schnittansicht des optischen Abtastelements von 1. Ein optisches Abtastelement 100 des gezeigten Beispiels umfasst: Eine photonische Kristallschicht 10 mit Löchern 12, die periodisch in einem elektro-optischen Kristallsubstrat ausgebildet sind; einen Lichtwellenleiter 16, der als Abschnitt in der photonischen Kristallschicht 10 festgelegt ist, wo die Löcher 12 nicht ausgebildet sind (d.h., der als eindimensionale Gitterstörung dient, die in der photonischen Kristallschicht ausgebildet ist); ein Beugungsgitter 50, das in dem oberen Abschnitt und/oder dem linksseitigen Oberflächenabschnitt und/oder dem rechtsseitigen Oberflächenabschnitt des Lichtwellenleiters 16 angeordnet ist; und Elektroden 40 und 40, die auf der linken Seite und der rechten Seite des Lichtwellenleiters 16 angeordnet sind. In einer Ausführungsform kann wie bei dem gezeigten Beispiel das optische Abtastelement 100 ferner umfassen: Ein Trägersubstrat 30, das unterhalb des elektro-optischen Kristallsubstrats (der photonischen Kristallschicht) 10 angeordnet ist, wobei das Trägersubstrat zum Stützen des elektro-optischen Kristallsubstrats (der photonischen Kristallschicht) 10 ausgebildet ist; einen Verbindungsabschnitt 20, der zum miteinander Integrieren des elektro-optischen Kristallsubstrats (der photonischen Kristallschicht) 10 und des Trägersubstrats 30 ausgebildet ist; und einen Hohlraum 80, der durch die untere Oberfläche des elektro-optischen Kristallsubstrats (der photonischen Kristallschicht) 10, die obere Oberfläche des Trägersubstrats 30 und den Verbindungsabschnitt 20 festgelegt ist. Das optische Abtastelement 100 ist so ausgebildet, dass der Emissionswinkel von Licht, das von der oberen Oberfläche des Lichtwellenleiters 16 emittiert wird, durch eine Spannung geändert wird, die zwischen den Elektroden 40 und 40 angelegt wird.
Als das Beugungsgitter 50 kann jedweder geeignete Aufbau verwendet werden, solange Licht von der oberen Oberfläche des Lichtwellenleiters 16 emittiert werden kann. Beispielsweise kann das Beugungsgitter flach sein, es kann uneben sein oder es kann ein Hologramm nutzen. In dem Fall eines flachen Beugungsgitters wird die Struktur des Beugungsgitters beispielsweise durch eine Brechungsindexdifferenz gebildet, und in dem Fall eines unebenen Beugungsgitters wird die Struktur des Beugungsgitters beispielsweise durch eine Rille oder einen Schlitz gebildet. Typische Beispiele für die Struktur des Beugungsgitters umfassen eine Streifenform, eine Gitterform, eine Punktform und eine spezifische Form (z.B. eine Sternform). Die Richtungen und der Abstand der Streifen, das Anordnungsmuster der Punkte und dergleichen können zweckmäßig in einer geeigneten Weise eingestellt werden. In einer Ausführungsform weist das Beugungsgitter 50 eine Mehrzahl von Gitterrillen auf, die sich in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Wellenleiterrichtung des Lichtwellenleiters 16 erstrecken. D.h., in einer Ausführungsform weist das Beugungsgitter eine Streifenstruktur im Wesentlichen senkrecht zu der Wellenleiterrichtung des Lichtwellenleiters auf.
Das Beugungsgitter 50 kann auf der Gesamtheit in der Wellenleiterrichtung des Lichtwellenleiters 16 ausgebildet sein oder kann in einem vorgegebenen Bereich entlang der Wellenleiterrichtung des Lichtwellenleiters 16 ausgebildet sein. Die Anzahl der vorgegebenen Bereiche kann einer, zwei oder mehr sein. Das Verhältnis der Länge des Beugungsgitters zu der Länge des Lichtwellenleiters beträgt vorzugsweise von 10 % bis 90 %, mehr bevorzugt von 20 % bis 80 %. Wenn das Verhältnis der Länge innerhalb solcher Bereiche liegt, kann die transversale Modenform von Licht in einem Abschnitt in dem Lichtwellenleiter stabilisiert werden, wo das Beugungsgitter nicht angeordnet ist. Folglich kann das Licht durch einen Beugungseffekt in dem Beugungsgitterbereich von der oberen Oberfläche des Lichtwellenleiters zufriedenstellend emittiert werden. Darüber hinaus kann ein Beugungslichtmuster mit einer zufriedenstellenden Symmetrie erreicht werden und somit kann ein emittiertes Licht erhalten werden, das eine glatte Intensitätsverteilung aufweist und frei von jedweder Restwelligkeit ist. Die Bildungsposition des Beugungsgitters in der Längsrichtung des Lichtwellenleiters kann zweckmäßig in einer geeigneten Weise eingestellt werden. Die Bildungsposition des Beugungsgitters kann beispielsweise gemäß einem Schaltkreis, mit dem das optische Abtastelement verbunden ist, und einem Verfahren für das Verbinden zwischen diesen festgelegt werden.
Das Beugungsgitter 50 kann vorzugsweise lediglich direkt oberhalb des Lichtwellenleiters angeordnet werden (das Beugungsgitter kann auf dem elektro-optischen Kristallsubstrat ausgebildet werden oder es kann getrennt von dem elektro-optischen Kristallsubstrat ausgebildet werden oder beide dieser Vorgänge können gleichzeitig durchgeführt werden). Durch einen solchen Aufbau können das Beugungsgitter und geleitetes Licht eine effektive Wechselwirkung miteinander eingehen und als Ergebnis kann eine ganz hervorragende Beugungseffizienz erreicht werden.
Die Elektroden 40 und 40 können an jedweden geeigneten Positionen auf der linken Seite und der rechten Seite des Lichtwellenleiters 16 angeordnet werden, solange das Leistungsvermögen des Lichtwellenleiters 16 nicht negativ beeinflusst wird. Die Elektroden 40 und 40 sind typischerweise auf den oberen Oberflächen des linksseitigen Endabschnitts und des rechtsseitigen Endabschnitts der photonischen Kristallschicht (dem elektro-optischen Kristallsubstrat) 10 angeordnet.
Die 3 ist eine schematische Schnittansicht eines optischen Abtastelements gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein optisches Abtastelement 101 des gezeigten Beispiels umfasst ferner eine Überzugsschicht 60, die auf der oberen Oberfläche der photonischen Kristallschicht 10 angeordnet ist. In dieser Ausführungsform ist das Beugungsgitter 50 in einem Abschnitt auf der oberen Oberfläche der Überzugsschicht 60 angeordnet, der dem Lichtwellenleiter 16 entspricht, und die Elektroden 40 und 40 sind auf den oberen Oberflächen der Überzugsschicht 60 angeordnet, die in dem linksseitigen Endabschnitt und dem rechtsseitigen Endabschnitt der photonischen Kristallschicht (dem elektro-optischen Kristallsubstrat) 10 ausgebildet sind. Die Überzugsschicht 60 kann nur zwischen jeder der Elektroden 40 und dem elektro-optischen Kristallsubstrat (der photonischen Kristallschicht) 10 ausgebildet sein oder kann lediglich direkt auf dem Lichtwellenleiter 16 ausgebildet sein.
Die 11 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines optischen Abtastelements gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und die 12 ist eine schematische Schnittansicht des optischen Abtastelements von 11. In einem optischen Abtastelement 102 des gezeigten Beispiels sind die Elektroden 41 lichtdurchlässig und sind derart oberhalb der photonischen Kristallschicht (des elektro-optischen Kristallsubstrats) 10 angeordnet, dass sie die Löcher 12 überlappen. Die Elektroden 41 und 41 sind typischerweise so auf der oberen Oberfläche der photonischen Kristallschicht (des elektro-optischen Kristallsubstrats) 10 angeordnet, dass sie das Beugungsgitter 50 dazwischen einschließen.
Der Ausdruck „optisches Abtastelement“, wie er hier verwendet wird, umfasst sowohl einen Wafer (optisches Abtastelement-Wafer), auf dem mindestens ein optisches Abtastelement ausgebildet ist, als auch einen Chip, der durch Schneiden des optischen Abtastelement-Wafers erhalten worden ist.
Zuerst wird der Betrieb des optischen Abtastelements beschrieben und spezifische Konfigurationen der jeweiligen Bestandteile des optischen Abtastelements und ein Herstellungsverfahren dafür werden später im Abschnitt B bis Abschnitt I beschrieben.
A-2. Betrieb
Beim Betrieb des optischen Abtastelements wird bewirkt, dass Licht von der Eintrittsoberfläche des Lichtwellenleiters 16 eintritt. Hier wird das Eintreten des Lichts beschrieben. Laserlicht, das bei einer einzelnen Wellenlänge oszilliert, z.B. das Laserlicht, das für LiDAR verwendet wird, kann als das eintretende Licht verwendet werden. Die longitudinale Mode des Laserlichts kann eine Mehrfachmode oder eine Einzelmode sein und die transversale Mode davon kann eine Mehrfachmode oder eine Einzelmode sein. Jede der longitudinalen Mode und der transversalen Mode des Laserlichts ist vorzugsweise eine Einzelmode. Ein solcher Aufbau kann die Spreizung des Laserlichts unterdrücken und kann somit die räumliche Auflösung verbessern. Während sich das eingetretene Licht in dem Lichtwellenleiter 16 ausbreitet, wird gebeugtes Licht von der oberen Oberfläche des Elements durch die Wirkung des Beugungsgitters 50 emittiert. Die Wirkung wird unter Bezugnahme auf die 4 detaillierter beschrieben. Die 4 ist eine schematische Schnittansicht zum Veranschaulichen der Ausbreitung und der Emission (Abstrahlung) des Lichts in dem Beugungsgitter. In einer Ausführungsform weist, wie es vorstehend beschrieben worden ist, das Beugungsgitter die Mehrzahl von Gitterrillen auf, die sich in der Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Wellenleiterrichtung des Lichtwellenleiters 16 erstrecken. Das Beugungsgitter des gezeigten Beispiels ist eine Gitterstruktur in einer Richtung senkrecht zu der Richtung des Wellenleiters in der Draufsicht, und in einem Schnitt entlang der Richtung des Wellenleiters sind beispielsweise ein vorragender Abschnitt mit einer Breite von Λ/2 und ein Schlitz mit einer Breite von Λ/2 abwechselnd ausgebildet. In dem Schlitzabschnitt liegt der Lichtwellenleiter unterhalb des Beugungsgitters frei. Die Breite Λ einer Wiederholungseinheit, die aus dem vorragenden Abschnitt und dem Schlitz ausgebildet ist, ist als die Periode (Abstand) des Beugungsgitters festgelegt. Ein Verhältnis zwischen der Breite des vorragenden Abschnitts und der Breite des Schlitzes ist nicht speziell beschränkt und liegt vorzugsweise innerhalb des Bereichs von 1/9 bis 9/1. Das Licht, das in den Lichtwellenleiter 16 eingetreten ist, breitet sich in der Wellenleiterrichtung beispielsweise mit einer Ausbreitungskonstante β₀ aus. In dem Beugungsgitter mit der Periode Λ breitet sich Licht mit einer Ausbreitungskonstante aus, die eine Phasenbedingung erfüllt, die durch die folgende Gleichung (1) dargestellt ist: $β_{q} = β_{0} + qk (q = 0, \pm 1, \pm 2, \dots)$
wobei β₀ die Ausbreitungskonstante einer Wellenleitermode in dem Lichtwellenleiter darstellt, wenn kein Beugungsgitter vorliegt, und K durch die folgende Gleichung dargestellt ist. $K = 2 π / \land$
Wenn eine Ordnung „q“ vorliegt, welche die folgende Formel erfüllt, kann das Licht sowohl zur oberen Seite als auch zur unteren Seite des Lichtwellenleiters emittiert (abgestrahlt) werden: $| β_{q} | < n_{a} \cdot k oder | β_{q} | < n_{s} \cdot k$
wobei n_a und n_s die Brechungsindizes des oberen Mantels bzw. des unteren Mantels des Lichtwellenleiters darstellen und „k“ eine Wellenzahl darstellt. Wie es später beschrieben ist, wirkt in dem optischen Abtastelement der Hohlraum 80 als der untere Mantel, und eine äußere Umgebung (Luftabschnitt) oberhalb des Elements wirkt als der obere Mantel, und somit können n_a und n_s jeweils 1 darstellen.
Die Emissionswinkel θ_a und θ_s bezogen auf eine Referenzoberfläche können jeweils aus der folgenden Gleichung (2) bestimmt werden. Eine Oberfläche, welche die Wellenleiterrichtung des Lichtwellenleiters 16 als Senkrechte umfasst, wird als die Referenzoberfläche festgelegt (die Referenzoberfläche umfasst auch die Senkrechte der photonischen Kristallschicht 10). $n_{a} \cdot k \cdot sin θ_{a} = n_{s} \cdot k \cdot sin θ_{s} = β_{q}$
Ferner kann die Gleichung (1) als die folgende Gleichung (3) dargestellt werden. Dabei ist die Bedingung, bei der die Gleichung (3) in der Praxis gültig ist, ein Fall, bei dem q ≤ -1 ist. Demgemäß kann gebeugtes Licht erster Ordnung zur Außenseite des Lichtwellenleiters bei den Emissionswinkeln θ_a und θ_s emittiert werden, die mit q = -1 berechnet werden. $\begin{matrix} n_{wg} \cdot \frac{2 π}{λ} + \frac{2 π}{\land} q = n_{a} \cdot \frac{2 π}{λ} \cdot sin θ a \\ = n_{s} \cdot \frac{2 π}{λ} \cdot sin θ s \end{matrix}$
q: Beugungsordnung
Wie es aus der Gleichung (3) ersichtlich ist, können sich die Emissionswinkel θ_a und θ_s mit n_wg und der Wellenlänge λ des eintretenden Lichts ändern. Dabei entspricht n_wg dem äquivalenten Brechungsindex von Licht, das sich in einem Lichtwellenleiter (Lichtwellenleiter mit eindimensionaler Gitterstörung) ausbreitet, der durch Entfernen der Löcher gebildet wird, die einer Reihe in dem photonischen Kristall entsprechen. Gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird dann, wenn der photonische Kristall (photonische Kristallschicht) in dem elektro-optischen Kristallsubstrat ausgebildet ist, der äquivalente Brechungsindex bei längeren Wellenlängen eines photonischen Bands extrem groß und der äquivalente Brechungsindex wird beim Anlegen einer Spannung stark geändert. Als Ergebnis kann die Änderung der angelegten Spannung (eines elektrischen Felds, das durch diese gebildet werden soll) n_wg in der Gleichung (3) stark ändern und kann somit den Emissionswinkel θ_a stark ändern. Mit anderen Worten, die Änderung der angelegten Spannung kann den Emissionswinkel θ_a in einem breiten Bereich und zu einem gewünschten Winkel ändern. Ferner weist der photonische Kristall auf der Basis des elektro-optischen Kristallsubstrats den folgenden Vorteil im Hinblick auf einen photonischen Kristall auf der Basis eines Halbleiters (z.B. einkristallines Silizium) auf. Der photonische Kristall, der aus dem Halbleiter ausgebildet ist, weist einen geringen elektro-optischen Effekt auf und somit wird dessen Brechungsindex kaum geändert, selbst wenn eine Spannung daran angelegt wird. Demgemäß besteht, wenn ein Versuch gemacht wird, einen Emissionswinkel in einem optischen Abtastelement zu ändern, der einen solchen photonischen Kristall nutzt, ein Bedarf zur Änderung der Wellenlänge von eintretendem Licht oder zum Erwärmen des Elements, um dessen Brechungsindex zu ändern. Als Ergebnis ist, wenn die Wellenlänge geändert wird, eine Mehrzahl von Lichtquellen mit verschiedenen Wellenlängen oder eine Lichtquelle mit mehreren Wellenlängen erforderlich. Folglich steigen die Kosten für das Element und eine Beschränkung von dessen Gestaltung wird größer. Ferner ist es schwierig, die Wellenlänge einer Lichtquelle kontinuierlich zu ändern, und somit ist es auch schwierig, den Emissionswinkel kontinuierlich zu ändern. Darüber hinaus können einige Wellenlängen der Lichtquelle das Erreichen eines gewünschten Emissionswinkels ausschließen. Darüber hinaus ist es bei einem Erwärmen schwierig, die Temperaturverteilung des photonischen Kristallabschnitts zu vereinheitlichen und zu bewirken, dass das Element rasch anspricht. Darüber hinaus erfordert eine Temperatursteuerung, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert, einen externen Schaltkreis, der einen Sensor umfasst, und folglich wird ein Kostenanstieg zu einem Problem. Ferner ist eine Änderung des äquivalenten Brechungsindex bei einer Temperaturänderung relativ gering und eine Änderung des Emissionswinkels von mehr als 50° wurde bisher nicht beschrieben. Im Gegensatz dazu muss gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung lediglich eine Spannung geändert werden, die zwischen den Elektroden angelegt werden soll, und die Spannung kann kontinuierlich geändert werden. Demgemäß kann ein optisches Abtastelement erhalten werden, das bei niedrigen Kosten verfügbar ist, das mit geringen Beschränkungen gestaltet werden kann und einen Emissionswinkel in einem breiten Bereich und zu einem gewünschten Winkel ändern kann.
Die 5 ist eine schematische perspektivische Ansicht zum Veranschaulichen der Art und Weise, in der sich emittierte Lichtstrahlen, die von dem optischen Abtastelement emittiert werden, spreizen. Wie es in der 5 gezeigt ist, werden die emittierten Lichtstrahlen (Laserlicht), die mittels des vorstehend genannten Mechanismus von dem optischen Abtastelement (im Wesentlichen dem Lichtwellenleiter) emittiert werden, zu sogenannten Fächerstrahlen, die in der Draufsicht in Linienformen vorliegen (Linienformen in einer Richtung senkrecht zu einer Lichtwellenleiterrichtung), und bei einer Betrachtung von der Lichtwellenleiterrichtung in einer Fächerform vorliegen. Der Winkel des Fächers (der Spreizungswinkel der Fächerstrahlen) beträgt vorzugsweise 10° oder mehr, mehr bevorzugt 25° oder mehr, noch mehr bevorzugt 50° oder mehr. Der Spreizungswinkel der Fächerstrahlen kann beispielsweise 120° oder weniger betragen. Der Spreizungswinkel der Fächerstrahlen kann durch Einstellen der Breite des Lichtwellenleiters gesteuert bzw. eingestellt werden. Mit anderen Worten, wie in der Beziehung zwischen einem Nahfeld und einem Fernfeld vergrößert die Verminderung der Breite des Lichtwellenleiters die Spreizung und kann somit den Spreizungswinkel vergrößern. Darüber hinaus kann im Gegensatz dazu die Vergrößerung der Breite des Lichtwellenleiters den Spreizungswinkel verkleinern. Wenn der Spreizungswinkel innerhalb solcher Bereiche liegt, kann ein optisches Abtastelement mit einer ganz hervorragenden Abtasteffizienz durch einen synergistischen Effekt mit dem folgenden Effekt erhalten werden: Der Emissionswinkel kann in einem breiten Bereich geändert werden. Insbesondere musste ein optisches Abtastelement für LiDAR einen Bildwinkel von 100° oder mehr in einer horizontalen Richtung und einen Bildwinkel von 25° oder mehr in einer vertikalen Richtung aufweisen. Zum Erfüllen der Anforderung kann der Spreizungswinkel der Fächerstrahlen (in der vertikalen Richtung) so eingestellt werden, wie es vorstehend beschrieben worden ist. Darüber hinaus kann der Emissionswinkel vorzugsweise in dem Bereich von ±40° oder mehr geändert werden und kann mehr bevorzugt in dem Bereich von ±60° oder mehr geändert werden. Der Emissionswinkel kann beispielsweise ±70° oder weniger betragen. Wie es vorstehend beschrieben worden ist, kann gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Emissionswinkel in einem Bereich geändert werden, der viel größer ist als derjenige eines optischen Abtastelements des Standes der Technik. In dieser Beschreibung steht das Zeichen „+“ des Emissionswinkels für eine Ausgangsseite in Bezug auf die vorstehend genannte Referenzoberfläche und das Zeichen „-“ des Emissionswinkels steht für eine Eingangsseite in Bezug auf die Referenzoberfläche.
Als nächstes wird ein Beispiel für ein Verfahren zur Verwendung des optischen Abtastelements beschrieben. Die 6 ist eine Konzeptansicht zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Abtasten einer Gegenstandsoberfläche mit dem optischen Abtastelement. Wie es vorstehend beschrieben worden ist, kann, wenn eine Spannung, die an das optische Abtastelement gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angelegt werden soll, geändert wird, Licht (Fächerstrahlen), das in der Richtung senkrecht zu der Lichtwellenleiterrichtung gespreizt ist, in einem extrem breiten Bereich von Emissionswinkeln in Bezug auf die Oberfläche (Referenzoberfläche), die eine Senkrechte in Bezug auf das optische Abtastelement umfasst und senkrecht zu der Lichtwellenleiterrichtung ist, abgegeben werden. Demgemäß können, wenn bewirkt wird, dass die Lichtwellenleiterrichtung des optischen Abtastelements 100 oder 101 mit einer horizontalen Richtung X zusammenfällt, Fächerstrahlen abgegeben werden, die sich in einer vertikalen Richtung Y ausbreiten. Auf einer zu messenden Oberfläche (Gegenstandsoberfläche) 123 kann, wenn die Fächerstrahlen in dem gezeigten Beispiel auf die vorderste Reihe von den Reihen 123a der Gegenstandsoberfläche projiziert werden, reflektiertes Licht von der Reihe mit einer Linse 124 gesammelt und mit der Licht-empfangenden Elementanordnung 125B aus Licht-empfangenden Elementen 125 empfangen werden. Als nächstes kann gemäß dem optischen Abtastelement gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Änderung der daran anzulegenden Spannung den Emissionswinkel von jedem der Fächerstrahlen entlang der horizontalen Richtung X stark ändern. Als Ergebnis können, wenn der Emissionswinkel mit einem vorgegebenen Winkel geändert wird, die Fächerstrahlen auf die nächste Reihe (die Reihe angrenzend an die Reihe, auf der die Fächerstrahlen projiziert worden sind) projiziert werden. Demgemäß kann die Gesamtheit der Gegenstandsoberfläche 123 ohne Bewegung des optischen Abtastelements entlang der horizontalen Richtung X abgetastet werden. Als Ergebnis können die Zeit und die Kosten für das Abtasten verglichen mit einem herkömmlichen optischen Abtastelement signifikant vermindert werden, und die Kosten für die Licht-empfangende Elementanordnung können verglichen mit dem herkömmlichen optischen Abtastelement signifikant gesenkt werden. Die Licht-empfangenden Elemente können beispielsweise zweidimensional angeordnete Photodioden, CMOS-Kameras oder CCDs sein.
B. Photonische Kristallschicht
B-1. Elektro-optisches Kristallsubstrat
Das elektro-optische Kristallsubstrat 10 umfasst eine obere Oberfläche, die zur Außenseite freiliegt, und eine untere Oberfläche, die in einem Verbundsubstrat positioniert ist. Das elektro-optische Kristallsubstrat 10 umfasst einen Kristall aus einem Material mit einem elektro-optischen Effekt. Insbesondere kann das Anlegen einer Spannung (elektrisches Feld) an das elektro-optische Kristallsubstrat 10 dessen Brechungsindex ändern. Demgemäß kann verglichen mit einem Fall, bei dem ein Halbleitermaterial (z.B. einkristallines Silizium) in einem optischen Abtastelement verwendet wird, der folgende Vorteil erhalten werden. In dem optischen Abtastelement, bei dem das Halbleitermaterial verwendet wird, wird der Vergrößerungseffekt eines photonischen Kristalls auf die Wellenlängenabhängigkeit eines äquivalenten Brechungsindex genutzt. Alternativ wird dessen Vergrößerungseffekt auf die Temperaturabhängigkeit des äquivalenten Brechungsindex genutzt. In dem erstgenannten Fall wird jedoch die Wellenlängenabhängigkeit durch den photonischen Kristall vergrößert und somit werden Fächerstrahlen bei Winkeln emittiert, die von Wellenlänge zu Wellenlänge variieren. Demgemäß können die folgenden Probleme auftreten: Es sind Lichtquellen mit einer Mehrzahl von Wellenlängen erforderlich; und eine Signalverarbeitung wird durch unabhängiges Erkennen der Mehrzahl von Wellenlängen auf einer Lichtempfangsseite durchgeführt, und somit wird die Verarbeitung kompliziert. In dem letztgenannten Fall ist eine gewisse Zeit zum Erwärmen und Abkühlen des photonischen Kristallabschnitts erforderlich, um dessen Temperatur auf einen gewünschten Wert einzustellen und dessen Verteilung in der Ebene zu vereinheitlichen, und somit ist es schwierig, die Ansprechgeschwindigkeit des Elements zu erhöhen. Darüber hinaus erfordert eine Temperatursteuerung bzw. -einstellung, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert, einen externen Schaltkreis, der einen Sensor umfasst, und folglich wird ein Kostenanstieg zu einem Problem. Ferner ist eine Änderung des äquivalenten Brechungsindex aufgrund einer Temperaturänderung relativ gering. Im Gegensatz dazu kann bei der Verwendung des elektro-optischen Kristallsubstrats, wie es vorstehend beschrieben worden ist, das Anlegen einer Spannung (elektrisches Feld) daran einen äquivalenten Brechungsindex ändern. Eine Differenz des äquivalenten Brechungsindex von Licht, das sich in einem Lichtwellenleiter ausbreitet, der in dem photonischen Kristall angeordnet ist, ist in der 8 gezeigt. In der 8 sind Berechnungsergebnisse, wenn Lithiumniobat als das elektro-optische Kristallsubstrat verwendet wird und dessen Lochperiode und Lochradius auf 425 nm bzw. 144,5 nm eingestellt sind, gezeigt. Wie es in der 8 gezeigt ist, wird die Differenz des äquivalenten Brechungsindex bei größeren bzw. längeren Wellenlängen in einem photonischen Band größer. Dabei steht der Ausdruck „größere bzw. längere Wellenlängen“ für Wellenlängen, die größer bzw. länger sind als die zentrale Wellenlänge des photonischen Bands, oder für Wellenlängen, die größer bzw. länger sind als die Wellenlänge einer photonisches Band-Beschränkungsmode. Darüber hinaus wird in dem Bereich auch die Wellenlängenabhängigkeit der Differenz des äquivalenten Brechungsindex größer. Wenn eine Spannung an das elektro-optische Kristallsubstrat angelegt wird, kann auch die Differenz des äquivalenten Brechungsindex einhergehend mit einer Änderung von dessen Brechungsindex durch dessen elektro-optischen Effekt größer werden. Eine Differenz des äquivalenten Brechungsindex ΔN_eff in der 8 wird durch die folgende Gleichung dargestellt, wobei N_eff(0) einen äquivalenten Brechungsindex darstellt, wenn keine Spannung angelegt ist, und N_eff(V) einen äquivalenten Brechungsindex darstellt, wenn eine Spannung angelegt ist. $Δ N_{eff} = N_{eff} (V) - N_{eff} (0)$
Die 9 ist ein Graph, der Beziehungen zwischen einem angelegten elektrischen Feld und der Differenz des äquivalenten Brechungsindex bei spezifischen Wellenlängen zeigt, wobei der Graph aus den Berechnungsergebnissen von 8 erhalten worden ist. Wie es in der 9 gezeigt ist, ist in einem Bereich, bei dem eine Wellenlänge λ klein bzw. kurz ist, eine Änderung der Differenz des äquivalenten Brechungsindex mit dem elektrischen Feld wie in einer Lichtwellenleiter-Beugungsvorrichtung, in der kein photonischer Kristall ausgebildet ist, extrem gering. Dagegen kann im Endbereich eines photonischen Bands, wo die Wellenlänge λ groß bzw. lang ist, die Änderung der Differenz des äquivalenten Brechungsindex mit dem elektrischen Feld groß sein. Folglich kann der photonische Kristall, der das elektro-optische Kristallsubstrat nutzt, die Differenz des äquivalenten Brechungsindex durch das Anlegen einer Spannung vergrößern (den äquivalenten Brechungsindex stark ändern) und kann somit den Emissionswinkel von gebeugtem Licht entsprechend der Änderung stark ändern.
In einer Ausführungsform kann eine c-Achse des elektro-optischen Kristallsubstrats 10 parallel zu dem elektro-optischen Kristallsubstrat 10 sein. D.h., das elektro-optische Kristallsubstrat 10 kann ein X-geschnittenes Substrat oder ein Y-geschnittenes Substrat sein. In einer weiteren Ausführungsform kann die c-Achse des elektro-optischen Kristallsubstrats 10 senkrecht zu dem elektro-optischen Kristallsubstrat 10 sein. D.h., das elektro-optische Kristallsubstrat 10 kann ein Z-geschnittenes Substrat sein. Die Dicke des elektro-optischen Kristallsubstrats 10 kann abhängig von der Frequenz und der Wellenlänge einer zu verwendenden elektromagnetischen Welle auf eine geeignete Dicke eingestellt werden. Die Dicke des elektro-optischen Kristallsubstrats 10 kann beispielsweise von 0,1 µm bis 10 µm oder beispielsweise von 0,1 µm bis 3 µm betragen. Typischerweise ist, wie es vorstehend beschrieben worden ist, in dem optischen Abtastelement das elektro-optische Kristallsubstrat mit dem Trägersubstrat integriert und wird somit durch das Trägersubstrat verstärkt. Demgemäß kann die Dicke des elektro-optischen Kristallsubstrats vermindert werden. Als Ergebnis kann Licht mit einer Wellenlänge, die für das optische Abtastelement geeignet ist, in dem Lichtwellenleiter in einer Einzelmode geleitet werden und/oder die Effizienz, mit der das Licht mit dem Beugungsgitter gekoppelt wird, kann einfach verbessert werden.
Als Material zur Bildung des elektro-optischen Kristallsubstrats 10 kann jedwedes geeignete Material verwendet werden, solange die Effekte, die in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erreicht werden, erhalten werden können. Als ein solches Material kann typischerweise ein Dielektrikummaterial (beispielsweise eine Keramik) genannt werden. Spezifische Beispiele dafür umfassen Lithiumniobat (LiNbO₃: LN), Lithiumtantalat (LiTaO₃: LT), Kaliumtitanatphosphat (KTiOPO₄: KTP), Kaliumlithiumniobat (K_xLi_(1-x)NbO₂: KLM), Kaliumniobat (KNbO₃: KN), Kaliumtantalatniobat (KNb_xTa_(1-x)O₃: KTN) und eine feste Lösung von Lithiumniobat und Lithiumtantalat. Wenn Lithiumniobat oder Lithiumtantalat verwendet wird, kann Lithiumniobat oder Lithiumtantalat, das mit MgO dotiert ist, oder dessen Kristall mit einer stöchiometrischen Zusammensetzung zum Unterdrücken einer optischen Schädigung verwendet werden.
B-2. Photonische Kristallschicht
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, wird die photonische Kristallschicht 10 durch periodisches Bilden der Löcher 12 in dem elektro-optischen Kristallsubstrat erhalten. Ein photonischer Kristall zur Bildung der photonischen Kristallschicht ist ein mehrdimensionaler periodischer Strukturkörper, der durch Anordnen eines Mediums mit einem großen Brechungsindex und eines Mediums mit einem kleinen Brechungsindex mit einer Periode, die mit der Wellenlänge von Licht vergleichbar ist, gebildet wird und weist die Bandstruktur von Licht ähnlich wie die Bandstruktur eines Elektrons auf. Demgemäß kann eine geeignete Gestaltung der periodischen Struktur ein verbotenes Band (photonische Bandlücke) für ein vorgegebenes Licht darstellen. Ein photonischer Kristall, der ein verbotenes Band aufweist, wirkt als Gegenstand, der Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge weder reflektiert noch durchlässt. Das Einbringen einer eindimensionalen Gitterstörung, welche die Periodizität stört, in den photonischen Kristall mit einer photonischen Bandlücke führt zur Bildung einer Wellenleitermode in dem Frequenzbereich der Bandlücke, und somit kann ein Lichtwellenleiter erhalten werden, der Licht mit einem geringen Verlust leitet.
Der photonische Kristall des gezeigten Beispiels ist ein sogenannter zweidimensionaler photonischer Block-Kristall. Der zweidimensionale photonische Block-Kristall bezieht sich auf einen photonischen Kristall, erhalten durch: Anordnen, auf einem dünnen, plattenförmigen Block, der aus einem Dielektrikummaterial hergestellt ist (in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dem elektro-optischen Kristall), von kreisförmig-säulenförmigen oder polygonal-säulenförmigen Säulen mit niedrigem Brechungsindex, die jeweils einen Brechungsindex aufweisen, der niedriger ist als der Brechungsindex des Materials zur Bildung des dünnen, plattenförmigen Blocks, in zweckmäßigen geeigneten zweidimensionalen periodischen Abständen und mit einer gewünschten photonischen Bandlücke; und Anordnen des oberen und des unteren Abschnitts des dünnen, plattenförmigen Blocks zwischen einem oberen Mantel und einem unteren Mantel, die jeweils einen Brechungsindex aufweisen, der niedriger ist als derjenige des dünnen, plattenförmigen Blocks. In dem gezeigten Beispiel wirken die Löcher 12 als die Säulen mit niedrigem Brechungsindex, ein Abschnitt 14 zwischen den Löchern 12 und 12 des elektro-optischen Kristallsubstrats 10 wirkt als Abschnitt mit hohem Brechungsindex, der Hohlraum 80 wirkt als der untere Mantel und die äußere Umgebung (Luftabschnitt) oberhalb des optischen Abtastelements 100 wirkt als der obere Mantel. Ein Abschnitt in dem elektro-optischen Kristallsubstrat 10, bei dem die periodische Struktur der Löcher 12 nicht ausgebildet ist, dient als eindimensionale Gitterstörung und der Abschnitt der eindimensionalen Gitterstörung bildet einen Lichtwellenleiter 16.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, können die Löcher 12 als periodische Struktur ausgebildet sein. Die Löcher 12 sind typischerweise so angeordnet, dass sie regelmäßige Gitter bilden. Jedwede geeignete Form kann als die Form von jedem der Gitter eingesetzt werden, solange eine vorgegebene photonische Bandlücke erreicht werden kann. Typische Beispiele dafür umfassen ein dreieckiges Gitter und ein quadratisches Gitter. In einer Ausführungsform können die Löcher 12 Durchgangslöcher sein. Die Durchgangslöcher können einfach gebildet werden und als Ergebnis können deren Brechungsindizes einfach eingestellt werden. Jedwede geeignete Form kann als die Draufsichtform von jedem der Löcher (Durchgangslöcher) eingesetzt werden. Spezifische Beispiele dafür umfassen gleichseitige Vielecke (z.B. ein gleichseitiges Dreieck, ein Quadrat, ein gleichseitiges Fünfeck, ein gleichseitiges Sechseck und ein gleichseitiges Achteck), eine im Wesentlichen kreisförmige Form und eine elliptische Form. Von diesen ist eine im Wesentlichen kreisförmige Form bevorzugt. Das Verhältnis des langen Durchmessers der im Wesentlichen kreisförmigen Form zu deren kurzem Durchmesser beträgt vorzugsweise von 0,90 bis 1,10, mehr bevorzugt von 0,95 bis 1,05. Wie es vorstehend beschrieben worden ist, können die Durchgangslöcher 12 Säulen mit niedrigem Brechungsindex (säulenförmige Abschnitte, die jeweils ein Material mit niedrigem Brechungsindex umfassen) sein. Die Durchgangslöcher können jedoch einfacher gebildet werden und die Durchgangslöcher umfassen jeweils Luft, die den niedrigsten Brechungsindex aufweist. Demgemäß kann eine Differenz des Brechungsindex zwischen jedem der Durchgangslöcher und dem Lichtwellenleiter vergrößert werden. Darüber hinaus kann sich ein Teil der Lochdurchmesser von anderen Lochdurchmessern unterscheiden und ein Teil von Lochperioden kann sich ebenfalls von anderen Lochperioden unterscheiden. Darüber hinaus ist eine Beziehung zwischen der Lochperiode P und dem Radius d/2 von jedem der Löcher wie folgt: Das Verhältnis „d/(2P)“ beträgt vorzugsweise 0,2 oder mehr und 0,48 oder weniger, mehr bevorzugt 0,25 oder mehr und 0,4 oder weniger, noch mehr bevorzugt 0,3 oder mehr und 0,34 oder weniger. Wenn das Verhältnis innerhalb solcher Bereiche liegt, kann eine Differenz des äquivalenten Brechungsindex, die durch das Anlegen einer Spannung verursacht wird, vergrößert werden.
Die Gitterstruktur der Löcher kann zweckmäßig und gemäß einer gewünschten photonischen Bandlücke in einer geeigneten Weise eingestellt werden. In dem gezeigten Beispiel bilden die Löcher, die jeweils einen Durchmesser „d“ aufweisen, viereckige Gitter mit einer Periode P. Obwohl in dem gezeigten Beispiel viereckige Gitter ausgebildet sind, können dann, wenn die Durchmesser, die Periode und dergleichen der Löcher in einer geeigneten Weise eingestellt werden, sogar dreieckige Gitter den gleichen Betrieb, die gleiche Funktion und den gleichen Effekt bereitstellen. Die viereckigen Gitterstrukturen werden auf beiden Seiten des photonischen Kristallelements ausgebildet und der Lichtwellenleiter 16 ist in dem zentralen Abschnitt davon ausgebildet, wo keine Gitterstruktur ausgebildet ist. Die Länge des Lichtwellenleiters 16 beträgt vorzugsweise 5 mm oder weniger, mehr bevorzugt von 0,1 mm bis 3 mm. Gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Kombination aus der photonischen Kristallschicht, die den elektro-optischen Kristall umfasst, und einem vorgegebenen Beugungsgitter die Länge des Lichtwellenleiters extrem verringern. Als Ergebnis kann das optische Abtastelement verkleinert werden. Die Breite des Lichtwellenleiters 16 kann beispielsweise von 1,01 P bis 3 P (in dem gezeigten Beispiel 2 P) bezogen auf die Lochperiode P betragen. Die Anzahl der Reihen der Löcher (nachstehend manchmal als „Gitterreihen“ bezeichnet) in der Lichtwellenleiterrichtung kann von 3 bis 10 (in dem gezeigten Beispiel 4) auf jeder Seite des Lichtwellenleiters betragen. Die Lochperiode P kann beispielsweise die folgende Beziehung erfüllen: $(1 / 7 \times (λ / n) \leq P \leq 1,4 \times (λ / n))$
wobei λ die Wellenlänge (nm) von Licht, das in den Lichtwellenleiter eingeführt werden soll, darstellt, und „n“ den Brechungsindex des elektro-optischen Kristallsubstrats darstellt. Die Lochperiode P kann insbesondere von 0,1 µm bis 1 µm betragen. In einer Ausführungsform kann die Lochperiode P mit der Dicke der photonischen Kristallschicht (des elektro-optischen Kristallsubstrats) identisch sein. Der Durchmesser „d“ von jedem der Löcher kann beispielsweise von 0,1 P bis 0,9 P bezogen auf die Lochperiode P betragen. Wenn der Durchmesser „d“ von jedem der Löcher, die Lochperiode P, die Anzahl der Gitterreihen, die Anzahl der Löcher in einer Gitterreihe, die Dicke der photonischen Kristallschicht, das Bestandteilsmaterial (im Wesentlichen der Brechungsindex) des elektro-optischen Kristallsubstrats, die Breite des Abschnitts der eindimensionalen Gitterstörung, die Breite und die Höhe des Hohlraums, der später beschrieben wird und dergleichen durch geeignetes Kombinieren miteinander eingestellt werden, kann die gewünschte photonische Bandlücke erhalten werden. Ferner kann der gleiche Effekt für eine elektromagnetische Welle erhalten werden, die von einer Lichtwelle verschieden ist. Spezifische Beispiele für die elektromagnetische Welle umfassen eine Millimeterwelle, eine Mikrowelle und eine Terahertzwelle.
In einer Ausführungsform kann ein Durchgangsloch zum Ätzen (nicht gezeigt) in der photonischen Kristallschicht (dem elektro-optischen Kristallsubstrat) 10 ausgebildet werden bzw. sein. Die Bildung des Durchgangslochs zum Ätzen ermöglicht es einem Ätzmittel, die Gesamtheit eines zu ätzenden Bereichs zu durchfluten. Als Ergebnis kann ein gewünschter Hohlraum präziser ausgebildet werden. Die Anzahl der Durchgangslöcher zum Ätzen kann zweckmäßig in einer geeigneten Weise eingestellt werden. Insbesondere kann ein einzelnes Durchgangsloch zum Ätzen gebildet werden oder eine Mehrzahl von (z.B. zwei, drei oder vier) Durchgangslöchern zum Ätzen kann gebildet werden. Das Durchgangsloch zum Ätzen wird beispielsweise an einer Position ausgebildet, die von dem Lichtwellenleiter um 3 oder mehr Gitterreihen entfernt ist. Ein solcher Aufbau ermöglicht es dem Ätzmittel, die Gesamtheit des zu ätzenden Bereichs zufriedenstellend zu durchfluten, ohne die photonische Bandlücke des photonischen Kristalls nachteilig zu beeinflussen. Das Durchgangsloch zum Ätzen kann beispielsweise auch auf der Seite des Eingangsabschnitts und/oder der Seite des Ausgangsabschnitts (d.h., einem Eckenabschnitt der photonischen Kristallschicht) des Endabschnitts der Gitterstruktur gegenüber dem Lichtwellenleiter ausgebildet werden bzw. sein. Ein solcher Aufbau kann nachteilige Effekte auf die photonische Bandlücke zufriedenstellender verhindern. Wenn beispielsweise vier Durchgangslöcher zum Ätzen ausgebildet sind, können die Durchgangslöcher an den vier Ecken der photonischen Kristallschicht ausgebildet sein. Die Größe des Durchgangslochs zum Ätzen ist typischerweise größer als die Größe jedes der Löcher 12. Beispielsweise beträgt der Durchmesser des Durchgangslochs zum Ätzen vorzugsweise das 5-fache oder mehr, mehr bevorzugt das 50-fache oder mehr, noch mehr bevorzugt das 100-fache oder mehr der Größe des Durchmessers „d“ jedes der Löcher. Ferner beträgt der Durchmesser des Durchgangslochs zum Ätzen vorzugsweise das 1000-fache oder weniger der Größe des Durchmessers „d“ jedes der Löcher. Wenn der Durchmesser des Durchgangslochs zum Ätzen übermäßig klein ist, kann das Ätzmittel die Gesamtheit des zu ätzenden Bereichs gegebenenfalls nicht zufriedenstellend durchfluten. Wenn der Durchmesser des Durchgangslochs zum Ätzen übermäßig groß ist, muss die Größe des Elements in manchen Fällen größer gemacht werden als eine gewünschte Größe. Darüber hinaus kann sich dessen mechanische Festigkeit vermindern.
C. Verbindungsabschnitt
Der Verbindungsabschnitt 20 ist zwischen dem elektro-optischen Kristallsubstrat 10 und dem Trägersubstrat 30 angeordnet, um die Substrate miteinander zu integrieren. Typischerweise sind, wie es in jeder von 2 und 3 gezeigt ist, die obere Schicht 21 und die untere Schicht 22 des Verbindungsabschnitts 20 direkt miteinander verbunden, so dass das elektro-optische Kristallsubstrat 10 und das Trägersubstrat 30 miteinander integriert werden. Wenn das elektro-optische Kristallsubstrat 10 und das Trägersubstrat 30 durch das direkte Verbinden miteinander integriert sind, kann ein Ablösen in dem optischen Abtastelement zufriedenstellend unterdrückt werden, und als Ergebnis kann eine Beschädigung des elektro-optischen Kristallsubstrats (z.B. ein Riss), die sich aus einem solchen Ablösen ergibt, zufriedenstellend unterdrückt werden. Der Verbindungsabschnitt 20 wird als Ätzrestabschnitt bei der Bildung der Löcher 12 und des Hohlraums 80 gebildet. Eine amorphe Schicht 23 ist typischerweise an einer Verbindungsgrenzfläche zwischen der oberen Schicht 21 und der unteren Schicht 22 ausgebildet. Die amorphe Schicht 23 ist eine Schicht, die an der Verbindungsgrenzfläche durch das direkte Verbinden der oberen Schicht 21 und der unteren Schicht 22 gebildet wird. Wie deren Bezeichnung nahelegt, weist die amorphe Schicht eine amorphe Struktur auf und umfasst ein Element zur Bildung der oberen Schicht 21 und ein Element zur Bildung der unteren Schicht 22. Wenn die obere Schicht 21 und die untere Schicht 22 direkt miteinander verbunden werden, wie es vorstehend beschrieben worden ist, kann die amorphe Schicht 23 an der Verbindungsgrenzfläche zwischen der oberen Schicht 21 und der unteren Schicht 22 ausgebildet sein. D.h., wenn die obere Schicht 21 und die untere Schicht 22 direkt miteinander verbunden sind, kann ein direktes Verbinden des elektro-optischen Kristallsubstrats und des Trägersubstrats vermieden werden, und somit kann die Bildung der amorphen Schicht auf dem elektro-optischen Kristallsubstrat verhindert werden. Als Ergebnis kann eine Verschlechterung der optischen Eigenschaften des elektro-optischen Kristallsubstrats oder dessen optischer Verlust unterdrückt werden.
Der Ausdruck „direktes Verbinden“, wie er hier verwendet wird, bedeutet, dass zwei Schichten oder Substrate (in dem gezeigten Beispiel die obere Schicht 21 und die untere Schicht 22) ohne irgendein Haftmittel miteinander verbunden sind. Die Form des direkten Verbindens kann abhängig von dem Aufbau der Schichten oder Substrate, die miteinander verbunden werden sollen, in einer geeigneten Weise festgelegt werden. Beispielsweise kann das direkte Verbinden durch das folgende Verfahren erreicht werden. In einer Hochvakuumkammer (z.B. etwa 1 × 10^-6 Pa) wird ein neutralisierter Strahl auf jede Verbindungsoberfläche von zu verbindenden Bestandteilen (Schichten oder Substraten) angewandt. Als Ergebnis wird jede Verbindungsoberfläche aktiviert. Dann werden die aktivierten Verbindungsoberflächen in einer Vakuumatmosphäre miteinander in Kontakt gebracht und bei Normaltemperatur miteinander verbunden. Eine Belastung beim Verbinden kann beispielsweise von 100 N bis 20000 N betragen. In einer Ausführungsform wird, wenn die Oberflächenaktivierung mit einem neutralisierten Strahl durchgeführt wird, ein Inertgas in eine Kammer eingeführt und eine Hochspannung wird von einer Gleichstromquelle an Elektroden angelegt, die in der Kammer angeordnet sind. Mit einem solchen Aufbau bewegen sich Elektronen aufgrund eines elektrischen Felds, das zwischen der Elektrode (positive Elektrode) und der Kammer (negative Elektrode) erzeugt wird, und ein Strahl von Atomen und Ionen, die durch das Inertgas verursacht werden, wird erzeugt. Von den Strahlen, die ein Gitter erreicht haben, wird ein Ionenstrahl durch das Gitter neutralisiert, und somit wird der Strahl von neutralen Atomen von einer Hochgeschwindigkeitsatomstrahlquelle emittiert. Eine Atomspezies zur Bildung des Strahls ist vorzugsweise ein Inertgaselement (z.B. Argon (Ar) oder Stickstoff (N)). Eine Spannung bei der Aktivierung durch die Bestrahlung mit dem Strahl beträgt beispielsweise von 0,5 kV bis 2,0 kV und ein elektrischer Strom beträgt beispielsweise von 50 mA bis 200 mA. Ein Verfahren zum direkten Verbinden ist nicht darauf beschränkt und es kann auch ein Oberflächenaktivierungsverfahren, das einen schnellen Atomstrahl (FAB) oder eine lonenkanone nutzt, ein Atomdiffusionsverfahren, ein Plasmaverbindungsverfahren oder dergleichen angewandt werden.
Für jede der oberen Schicht 21 und der unteren Schicht 22 kann jedweder geeignete Aufbau zweckmäßig gemäß dem gewünschten Aufbau der photonischen Kristallschicht und gemäß einem Verfahren zur Herstellung des optischen Abtastelements (im Wesentlichen einem Ätzverfahren) eingesetzt werden. Insbesondere kann jede der oberen Schicht 21 und der unteren Schicht 22 eine Einzelschicht sein oder sie kann eine laminierte Struktur aufweisen. Bestandteilsmaterialien für die obere Schicht und die untere Schicht (wenn mindestens eine der oberen Schicht oder der unteren Schicht eine laminierte Struktur aufweist, Bestandteilsmaterialien für die jeweiligen Schichten) können ebenfalls zweckmäßig gemäß dem gewünschten Aufbau der photonischen Kristallschicht und dem Ätzverfahren in einer geeigneten Weise ausgewählt werden.
D. Hohlraum
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, wird der Hohlraum 80 durch Entfernen der oberen Schicht 21 und der unteren Schicht 22 (und gegebenenfalls der amorphen Schicht) durch Ätzen gebildet und kann als unterer Mantel wirken. Die Breite des Hohlraums ist vorzugsweise größer als die Breite des Lichtwellenleiters. Beispielsweise kann sich der Hohlraum 80 von dem Lichtwellenleiter 16 bis zu der dritten Gitterreihe erstrecken. In dem gezeigten Beispiel erstreckt sich der Hohlraum 80 von dem Lichtwellenleiter 16 bis zu der dritten Gitterreihe. Das Licht breitet sich in dem Lichtwellenleiter aus und darüber hinaus kann sich ein Teil der Lichtenergie bis zu der Gitterreihe in der Nähe des Lichtwellenleiters ausbreiten. Demgemäß kann die Anordnung des Hohlraums direkt unterhalb einer solchen Gitterreihe einen Ausbreitungsverlust aufgrund eines Lichtaustritts unterdrücken. Diesbezüglich kann der Hohlraum über dem gesamten Bereich eines Abschnitts mit ausgebildeten Löchern gebildet werden. Die Höhe des Hohlraums beträgt vorzugsweise 0,1 µm oder mehr und beträgt mehr bevorzugt 1/5 oder mehr der Wellenlänge des Lichts, das sich in dem Lichtwellenleiter ausbreitet. Durch eine solche Höhe wirkt ein dünner, plattenförmiger Block als photonischer Kristall und kann somit einen Lichtwellenleiter mit einer höheren Wellenlängenselektivität und einem geringeren Verlust bilden. Die Höhe des Hohlraums kann durch Einstellen der Dicken der oberen Schicht 21 und der unteren Schicht 22 eingestellt werden.
E. Trägersubstrat
Das Trägersubstrat 30 umfasst eine obere Oberfläche, die in dem Verbundsubstrat positioniert ist, und eine untere Oberfläche, die zur Außenseite freiliegt. Das Trägersubstrat 30 ist zur Verbesserung der Festigkeit des Verbundsubstrats angeordnet. Folglich kann die Dicke des elektro-optischen Kristallsubstrats vermindert werden. Als das Trägersubstrat 30 kann jedwede geeignete Konfiguration eingesetzt werden. Spezifische Beispiele eines Materials zur Bildung des Trägersubstrats 30 umfassen Silizium (Si), Glas, SiAION (Si₃N₄-Al₂O₃), Mullit (3Al₂O₃·2SiO₂, 2Al₂O₃·3SiO₂), Aluminiumnitrid (AIN), Siliziumnitrid (Si₃N₄), Magnesiumoxid (MgO), Saphir, Quarz, einen Kristall, Galliumnitrid (GaN), Siliziumcarbid (SiC) und Galliumoxid (Ga₂O₃). Der lineare Ausdehnungskoeffizient des Materials zur Bildung des Trägersubstrats 30 liegt vorzugsweise möglichst nahe an dem linearen Ausdehnungskoeffizienten des Materials zur Bildung des elektro-optischen Kristallsubstrats 10. Ein solcher Aufbau kann die thermische Verformung (typischerweise einen Verzug) des Verbundsubstrats unterdrücken. Der lineare Ausdehnungskoeffizient des Materials zur Bildung des Trägersubstrats 30 liegt vorzugsweise innerhalb des Bereichs von 50 % bis 150 % bezogen auf den linearen Ausdehnungskoeffizienten des Materials zur Bildung des elektro-optischen Kristallsubstrats 10. Diesbezüglich kann das Trägersubstrat das gleiche Material wie dasjenige des elektro-optischen Kristallsubstrats 10 umfassen.
F. Beugungsgitter
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, ist das Beugungsgitter 50 des gezeigten Beispiels in der Draufsicht eine Gitterstruktur in der Richtung senkrecht zu der Richtung des Wellenleiters und in einem Schnitt entlang der Richtung des Wellenleiters sind der vorragende Abschnitt mit einer Breite von Λ/2 und der Schlitz mit einer Breite von Λ/2 abwechselnd ausgebildet. Die Perioden der vorragenden Abschnitte und der Schlitze betragen jeweils vorzugsweise von 40 nm bis 1000 nm, mehr bevorzugt von 100 nm bis 800 nm, noch mehr bevorzugt von 150 nm bis 650 nm. Wenn jede der Perioden der vorragenden Abschnitte und der Schlitze (demgemäß eine Breite, die 1/2-fach so groß ist wie die Breite von jedem des vorragenden Abschnitts und des Schlitzes) innerhalb solcher Bereiche liegt, kann ein gewünschter Emissionswinkel einfach erreicht werden. Die Breite von jedem des vorragenden Abschnitts und des Schlitzes beträgt gegebenenfalls nicht 1/2 der Periode. Die Dicke des vorragenden Abschnitts oder die Tiefe des Schlitzes kann beispielsweise von 10 nm bis 300 nm betragen. Wenn die Dicke oder die Tiefe innerhalb eines solchen Bereichs liegt, wird der folgende Vorteil erhalten: Licht, das sich in dem Lichtwellenleiter ausbreitet, wird durch eine effektive Brechungsindexdifferenz, die aus der Unebenheit des Beugungsgitters resultiert, periodisch reflektiert und somit kann ein Beugungseffekt erhalten werden.
Das Beugungsgitter (im Wesentlichen die vorragenden Abschnitte) kann jedwedes geeignete Material umfassen, solange das gewünschte emittierte Licht erhalten wird. Das Material zur Bildung des Beugungsgitters ist typischerweise z.B. ein Metalloxid. Spezifische Beispiele dafür umfassen Tantaloxid, Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Titanoxid, Nioboxid, Magnesiumoxid, Wolframoxid und Hafniumoxid. Darüber hinaus kann das Beugungsgitter direkt auf dem elektro-optischen Kristallsubstrat ausgebildet werden bzw. sein.
G. Überzugsschicht
Die Überzugsschicht 60 ist eine optionale Schicht, die zum Unterdrücken der Absorption von geleitetem Licht durch die Elektroden und/oder zur Verbesserung der Kopplung des geleiteten Lichts mit dem Beugungsgitter angeordnet werden soll. Die Überzugsschicht kann jedwedes geeignete Material umfassen. Spezifische Beispiele dafür umfassen Siliziumoxid, Tantaloxid, Aluminiumoxid, Titanoxid, Nioboxid, Magnesiumoxid, Wolframoxid und Hafniumoxid. Die Überzugsschicht kann aus dem gleichen Material wie dasjenige des Beugungsgitters ausgebildet werden bzw. sein. Die Dicke der Überzugsschicht kann beispielsweise von 0,1 µm bis 1 µm betragen.
H. Elektroden
Die Elektroden können bei einer Betrachtung von der Dickenrichtung (vertikalen Richtung) der photonischen Kristallschicht 10 die Mehrzahl von Löchern 12 nicht überlappen oder können die Mehrzahl von Löchern 12 überlappen.
Wie es in der 1 gezeigt ist, sind die Elektroden 40 und 40 in einer Ausführungsform derart in dem linksseitigen Endabschnitt und dem rechtsseitigen Endabschnitt der photonischen Kristallschicht (des elektro-optischen Kristallsubstrats) 10 angeordnet, dass sie die Mehrzahl von Löchern 12 in der Dickenrichtung der photonischen Kristallschicht 10 nicht überlappen. Die Elektroden 40 sind entfernt von dem Beugungsgitter 50 in einer Richtung senkrecht zu der Wellenleiterrichtung des Wellenleiters (horizontale Richtung) positioniert. Die Mehrzahl von Löchern 12 ist zwischen jeder der Elektroden 40 und dem Beugungsgitter 50 positioniert.
Die Elektroden 40 können jeweils irgendein geeignetes Material umfassen. Das Material zur Bildung von jeder der Elektroden 40 ist beispielsweise ein Metall. D.h., die Elektroden 40 können Metallelektroden sein. Spezifische Beispiele für das Metall umfassen Titan (Ti), Platin (Pt) und Gold (Au). Jede der Elektroden 40 kann eine einzelne Schicht oder ein Laminat aus zwei oder mehr Schichten sein. Die Dicken der Elektroden 40 betragen typischerweise 100 nm oder mehr und 1000 nm oder weniger.
Ein Abstand zwischen den Elektroden 40 und 40 in der Richtung senkrecht zu der Wellenleiterrichtung des Wellenleiters beträgt typischerweise 5 µm oder mehr und 20 µm oder weniger.
Die Elektroden 40 können so ausgebildet sein, dass sie lichtdurchlässig sind, wie dies bei den später beschriebenen Elektroden 41 der Fall ist.
Darüber hinaus sind, wie es in der 11 gezeigt ist, in einer Ausführungsform die Elektroden 41 und 41 derart auf beiden Seiten des Lichtwellenleiters 16 angeordnet, dass die Elektroden jeweils mindestens eines der Mehrzahl von Löchern 12 in der Dickenrichtung der photonischen Kristallschicht 10 überlappen. In der Ausführungsform des gezeigten Beispiels sind die Löcher 12 nicht zwischen jeder der Elektroden 41 und dem Lichtwellenleiter 16 positioniert. In diesem Fall überlappt die Elektrode 41, die auf der rechten Seite des Lichtwellenleiters 16 positioniert ist, alle Löcher 12, die auf der rechten Seite des Lichtwellenleiters 16 positioniert sind, in der Dickenrichtung der photonischen Kristallschicht 10. Die Elektrode 41, die auf der linken Seite des Lichtwellenleiters 16 positioniert ist, überlappt alle Löcher 12, die auf der linken Seite des Lichtwellenleiters 16 positioniert sind, in der Dickenrichtung der photonischen Kristallschicht 10. In einer Ausführungsform weisen die Elektroden 41 Öffnungen 41a auf, die mit den Löchern 12 in Verbindung stehen.
Die Elektroden 41 sind typischerweise lichtdurchlässig. Insbesondere beträgt die Durchlässigkeit für Licht mit einer Wellenlänge von 1,025 µm in jeder der Elektroden 41 beispielsweise 70 % oder mehr, vorzugsweise 90 % oder mehr, und beträgt beispielsweise 100 % oder weniger. D.h., die Elektroden 41 können transparente Elektroden sein.
Wenn die Elektroden lichtdurchlässig sind, kann verhindert werden, dass Licht, das von der oberen Oberfläche des Lichtwellenleiters emittiert wird, durch die Elektroden absorbiert wird. Demgemäß können verglichen mit einem Fall, bei dem die Elektroden lichtundurchlässig sind, die Elektroden in der Nähe des Lichtwellenleiters angeordnet werden und somit kann ein Abstand zwischen den zwei Elektroden vermindert werden.
Ein Abstand zwischen den transparenten Elektroden 41 und 41 in der Richtung senkrecht zu der Wellenleiterrichtung des Wellenleiters ist kleiner als der Abstand zwischen den Metallelektroden 40 und 40 und beträgt typischerweise 6 µm oder weniger, vorzugsweise weniger als 5 µm, mehr bevorzugt 3 µm oder weniger, und beträgt typischerweise 1 µm oder mehr.
Wenn die Elektroden in der Nähe des Lichtwellenleiters zum Vermindern des Abstands zwischen den zwei Elektroden angeordnet sind, wie es vorstehend beschrieben worden ist, kann beim Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden ein elektrisches Feld in dem Lichtwellenleiter effizient erzeugt werden. Insbesondere wenn die Anzahl der Löcher, die zwischen jeder der Elektroden und dem Lichtwellenleiter positioniert sind, vermindert wird, kann ein Phänomen, bei dem sich das elektrische Feld auf einen Abschnitt zwischen einem Loch des elektro-optischen Kristallsubstrats und einem weiteren Loch davon konzentriert und somit das elektrische Feld in dem Lichtwellenleiter vermindert wird, unterdrückt werden. Demgemäß kann eine Verminderung der Betriebsspannung des optischen Abtastelements, die für die Emission von gewünschten Fächerstrahlen erforderlich ist, erreicht werden.
Die transparenten Elektroden 41 können jeweils jedwedes geeignete Material umfassen. Beispiele des Materials zur Bildung der transparenten Elektroden 41 umfassen Aluminium-dotiertes Zinkoxid (AZO), Siliziumoxid, Indiumzinnoxid (ITO), Ga-dotiertes Zinkoxid (GZO), einen In-Ga-Zn-O-Oxidhalbleiter (IGZO) und Zinnoxid.
Jede der transparenten Elektroden 41 kann eine einzelne Schicht oder ein Laminat aus zwei oder mehr Schichten sein. Die Dicken der transparenten Elektroden 41 betragen typischerweise 50 nm oder mehr und 300 nm oder weniger.
I. Verfahren zur Herstellung eines optischen Abtastelements
Ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung des optischen Abtastelements wird unter Bezugnahme auf die 7(a) bis 7(d) beschrieben. In dem gezeigten Beispiel ist die obere Schicht 21 eine Schicht zur Unterdrückung eines optischen Verlusts und die untere Schicht 22 ist eine Hohlraumverarbeitungsschicht. Die Schicht zur Unterdrückung eines optischen Verlusts 21 kann zum Unterdrücken des optischen Verlusts des elektro-optischen Kristallsubstrats durch Verhindern der Bildung der amorphen Schicht auf dem elektro-optischen Kristallsubstrat beim direkten Verbinden der oberen und der unteren Schicht angeordnet sein. Die Hohlraumverarbeitungsschicht 22 ist nicht nur zur Bildung eines Hohlraums in dem optischen Abtastelement, sondern auch zum Stoppen des Ätzens (typischerweise Trockenätzens) bei einem geeigneten Niveau angeordnet.
Zuerst wird, wie es in der 7(a) gezeigt ist, ein Verbundsubstrat hergestellt. Nachstehend wird ein Herstellungsverfahren für das Verbundsubstrat beschrieben. Die Schicht zur Unterdrückung eines optischen Verlusts 21 wird beispielsweise durch Sputtern auf dem elektro-optischen Kristallsubstrat 10 gebildet. Ferner wird die Hohlraumverarbeitungsschicht 22 beispielsweise durch Sputtern auf dem Trägersubstrat 30 gebildet. Das Laminat aus dem elektro-optischen Kristallsubstrat 10 und der Schicht zur Unterdrückung eines optischen Verlusts 21 und das Laminat aus dem Trägersubstrat 30 und der Hohlraumverarbeitungsschicht 22 werden unter Verwendung der Schicht zur Unterdrückung eines optischen Verlusts 1 und der Hohlraumverarbeitungsschicht 22 als Verbindungsoberflächen direkt miteinander verbunden. Das direkte Verbinden kann die amorphe Schicht 23 an der Verbindungsgrenzfläche zwischen der Schicht zur Unterdrückung eines optischen Verlusts 21 und der Hohlraumverarbeitungsschicht 22 bilden. Auf diese Weise kann das Verbundsubstrat erhalten werden, bei dem das elektro-optische Kristallsubstrat 10 und das Trägersubstrat 30 miteinander integriert sind. Als nächstes werden die Elektroden 40 und 40 in dem linken und dem rechten Endabschnitt des elektro-optischen Kristallsubstrats 10 gebildet und das Beugungsgitter 50 wird an der Position ausgebildet, bei welcher der Lichtwellenleiter ausgebildet werden soll. Die Elektroden 40 und 40 können typischerweise durch ein Abheben gebildet werden. Das Beugungsgitter 50 kann durch Trockenätzen (z.B. reaktives lonenätzen) durch eine Maske mit einer vorgegebenen Struktur (typischerweise einer Streifenstruktur, die sich in der Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Wellenleiterrichtung des Lichtwellenleiters erstreckt) gebildet werden. Die Elektroden 40 und 40 können vor der Bildung des Beugungsgitters 50 gebildet werden oder können nach der Bildung des Beugungsgitters 50 gebildet werden.
Als nächstes werden, wie es in der 7(b) gezeigt ist, die Löcher 12 in dem elektro-optischen Kristallsubstrat 10, der Schicht zur Unterdrückung eines optischen Verlusts 21 und der amorphen Schicht 23 durch Trockenätzen (z.B. reaktives lonenätzen) durch eine vorgegebene Maske gebildet. Als nächstes wird, wie es in der 7(c) gezeigt ist, der vorgegebene Abschnitt der Hohlraumverarbeitungsschicht 22 durch Nassätzen (z.B. Eintauchen in ein Ätzmittel) entfernt. Schließlich werden, wie es in der 7(d) gezeigt ist, die verbliebene Schicht zur Unterdrückung eines optischen Verlusts 21 und die amorphe Schicht 23 durch Nassätzen (z.B. Eintauchen in ein Ätzmittel) entfernt. Als Ergebnis wird der Hohlraum 80 gebildet und somit wird das optische Abtastelement erhalten.
Selbstverständlich kann zur Herstellung des optischen Abtastelements ein Verfahren verwendet werden, das von demjenigen des gezeigten Beispiels verschieden ist. Beispielsweise können die Elektroden 40 und 40 und das Beugungsgitter 50 nach der Bildung der Löcher 12 und des Hohlraums 80 gebildet werden. Darüber hinaus können sich beispielsweise die Konfigurationen der oberen Schicht 21 und der unteren Schicht 22 voneinander unterscheiden. Typische Modifizierungen der oberen Schicht 21 und der unteren Schicht 22 sind derart, wie es nachstehend beschrieben ist. (i) Die Schicht zur Unterdrückung eines optischen Verlusts und die Hohlraumverarbeitungsschicht können zu einer einzelnen Schicht (Schicht zur Unterdrückung eines optischen Verlusts und Hohlraumverarbeitungsschicht) integriert werden, so dass sowohl eine Funktion zur Unterdrückung eines optischen Verlusts als auch eine Hohlraumbildungsfunktion gemeinsam vorliegen. In diesem Fall können die Schicht zur Unterdrückung eines optischen Verlusts und die Hohlraumverarbeitungsschicht sowie das Trägersubstrat direkt miteinander verbunden werden bzw. sein. (ii) Eine Verbindungsschicht kann auf der Verbindungsoberfläche der Schicht zur Unterdrückung eines optischen Verlusts und/oder der Hohlraumverarbeitungsschicht angeordnet werden bzw. sein. (iii) Wenn die Oberfläche der Schicht zur Unterdrückung eines optischen Verlusts und/oder der Hohlraumverarbeitungsschicht oder die Oberfläche der Schicht zur Unterdrückung eines optischen Verlusts und der Hohlraumverarbeitungsschicht eine Unebenheit aufweisen/aufweist, kann eine Deckschicht als Schicht zum Einebnen der unebenen Oberfläche angeordnet werden bzw. sein. (iv) Eine Opferschicht kann als Schicht zum Bilden eines Hohlraums, der die Funktion des photonischen Kristalls effektiv ausüben soll, in einer gewünschten Form und in einer einfachen Weise bereitgestellt werden. Die Opferschicht kann typischerweise zu einer Struktur und einer Form ausgebildet sein, die dem Hohlraum in dem optischen Abtastelement entspricht, (v) Eine Schicht zum Verhindern eines Ablösens kann zwischen dem elektro-optischen Kristallsubstrat und einer daran angrenzenden Schicht angeordnet sein (z.B. der Schicht zur Unterdrückung eines optischen Verlusts).
Wenn der Gesamtaufbau des Verbundsubstrats, die Bestandteilsmaterialien der jeweiligen Schichten des Verbundsubstrats, die Maske, ein Ätzmodus und dergleichen in einer geeigneten Weise miteinander kombiniert werden, können das Beugungsgitter, die Löcher und der Hohlraum durch ein effizientes Verfahren und mit einer hohen Genauigkeit gebildet werden und somit kann das optische Abtastelement hergestellt werden.
Beispiele
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung mittels Beispielen spezifisch beschrieben.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt.
<Beispiel 1: Analyse der Beziehung zwischen dem äquivalenten Brechungsindex und dem Emissionswinkel>
1. Wellenlängenabhängigkeit und elektrisches Feld-Abhängigkeit des äquivalenten Brechungsindex
Eine photonische Kristallschicht äquivalent zu derjenigen von 1 wurde bezüglich der Wellenlängenabhängigkeit und der elektrisches Feld-Abhängigkeit des äquivalenten Brechungsindex von Licht, das sich in deren Lichtwellenleiter ausbreitet, untersucht. Dabei wurde ein Lithiumniobat-Kristallsubstrat als elektro-optisches Kristallsubstrat verwendet und die Dicke des Substrats wurde auf 0,4 µm eingestellt. Ferner wurde die Lochstruktur der Schicht auf eine dreieckige Gitterstruktur eingestellt und die Lochperiode und der Lochdurchmesser davon wurden auf 425 nm bzw. 289 nm eingestellt. Durch die Verwendung von solchen Bedingungen wurde eine Beziehung zwischen einer Differenz des äquivalenten Brechungsindex und der Wellenlänge des Lichts durch ein finite Differenz-Zeitdomäne (FDTD)-Verfahren und unter Verwendung der Intensität des elektrischen Felds des Lichtwellenleiters, wenn eine Spannung an den Lichtwellenleiter angelegt wurde, als Parameter berechnet. Die Ergebnisse sind in der 8 gezeigt. Wie es aus der 8 ersichtlich ist, wird gefunden, dass sich im Bereich einer kurzen Wellenlänge eines photonischen Bands die Wellenlängenabhängigkeit der Differenz des äquivalenten Brechungsindex in einem so geringen Ausmaß ändert, dass sie der typischen Wellenlängenverteilung eines Brechungsindex folgt. Darüber hinaus ist bezüglich der elektrisches Feld-Abhängigkeit der Differenz des äquivalenten Brechungsindex dessen Zahlenwert um ein Ausmaß erhöht, das grob einem elektro-optischen Effekt entspricht (Pockels-Effekt). Dagegen ändern sich in dem Bereich einer langen Wellenlänge des photonischen Bands jede der Wellenlängenabhängigkeit und der elektrisches Feld-Abhängigkeit in einem großen Ausmaß. Die Differenz des äquivalenten Brechungsindex ΔN_eff in der 8 wird durch die folgende Gleichung dargestellt, wobei N_eff(0) einen äquivalenten Brechungsindex darstellt, wenn keine Spannung angelegt wird, und N_eff(V) einen äquivalenten Brechungsindex darstellt, wenn eine Spannung angelegt wird. $Δ N_{eff} = N_{eff} (V) - N_{eff} (0)$
Die Beziehung der Differenz des äquivalenten Brechungsindex mit einem angelegten elektrischen Feld, die aus den Ergebnissen des vorstehend genannten Abschnitts 1. erhalten wird, ist in der 9 gezeigt. Die Wellenlänge wurde auf 0,96 µm, 1 µm, 1,025 µm oder 1,026 µm eingestellt und das elektrische Feld wurde auf 0,1 V/µm, 10 V/µm, 20 V/µm oder 50 V/µm eingestellt. Aus der 9 ist ersichtlich, dass sich die Differenz des äquivalenten Brechungsindex linear mit der Spannung (dem elektrischen Feld) ändert. Darüber hinaus wurde gefunden, dass eine von der Spannung (dem elektrischen Feld) abhängige Differenz des äquivalenten Brechungsindex größer wurde, wenn sich die Wellenlänge längeren Wellenlängen des Endes eines photonischen Bands annäherte. Es wird gefunden, dass sich in dem Fall einer Wellenlänge von 1,025 µm der äquivalente Brechungsindex in einem elektrischen Feld von 20 V/µm um 0,38 ändert. Die Obergrenze der angelegten Spannung (des elektrischen Felds) kann abhängig von einem Bestandteilsmaterial für das elektro-optische Kristallsubstrat variieren. In dem Fall von beispielsweise einem Lithiumniobat-Kristall wird von einem elektrischen Feld bei einem dielektrischen Durchschlag von 20 V/µm ausgegangen und somit muss ein optisches Abtastelement, das den Kristall umfasst, in einem elektrischen Feld betrieben werden, das mit diesem Wert identisch oder kleiner als dieser ist. Bezüglich dieses Phänomens tritt die gleiche Änderung selbst in einem elektrischen Feld mit der entgegengesetzten Richtung auf. Demgemäß ändert das Anlegen eines elektrischen Felds von ±20 V/µm den äquivalenten Brechungsindex um bis zu 0,76.
2. Beziehung zwischen der angelegten Spannung und dem Emissionswinkel
Eine Beziehung zwischen einer angelegten Spannung und einem Emissionswinkel (Ablenkwinkel) in dem optischen Abtastelement von 1 wurde unter Verwendung der Gleichung (3) berechnet. Eine spezifische Vorgehensweise ist derart, wie es nachstehend beschrieben ist. Wenn die Ausbreitungskonstante von Licht, das sich in dem Lichtwellenleiter des Elements ausbreitet, durch β dargestellt wird, kann die linke Seite der Gleichung (3) durch die Gleichung (4) dargestellt werden. Eine Beugungsordnung „q“ in der Gleichung (4) wird auf -1 eingestellt. $β - 2 π / \land = β N$
Ferner kann, wenn der Brechungsindex n_a des oberen Mantels des Lichtwellenleiters unter der Annahme, dass Luft als der Mantel dient, auf 1 eingestellt wird, deren rechte Seite durch die Gleichung (5) dargestellt werden. $2 π / λ \cdot sin θ_{a} = k_{0} \cdot sin θ_{a}$
Wenn die Lochperiode „d“ auf 425 nm eingestellt wird und die Wellenlänge λ des Lichts auf 1,025 µm eingestellt wird, wird in einem Zustand, bei dem keine Spannung an das Element angelegt ist, die Ausbreitungskonstante β durch eine FDTD-Berechnung zu 0,75 × (2π/d) berechnet. Dabei wird eine Beziehung zwischen der Lochperiode „d“ und der Wellenlänge λ als d/λ = 0,414 dargestellt und somit wird eine Beziehung erhalten, die durch die Gleichung (6) dargestellt ist. $β = 1,81 k_{0}$
In dem Fall, bei dem eine Beugungsgitterperiode Λ 567 nm beträgt, ist dann, wenn das Ergebnis, das in der Gleichung (6) erhalten worden ist, in die Gleichung (4) eingesetzt wird, 2π/Λ gleich 1,81 k₀, und somit kann die Gleichung (4) als βN = 0 umgeformt werden. Als Ergebnis liefern die Gleichungen (4) und (5) θ_a = 0°. Als nächstes ändert sich, wenn eine Spannung daran angelegt wird und die Intensität eines elektrischen Felds, das durch die Spannung erzeugt wird, auf -20 V/µm eingestellt wird, der äquivalente Brechungsindex des Lichts um -0,38, und somit wird die Ausbreitungskonstante β durch die FDTD-Berechnung zu 0,39 × (2π/d) berechnet. Demgemäß wird β = 0,94k₀ erhalten. Die gleiche Berechnung, wie diejenige, die vorstehend beschrieben worden ist, liefert βN = -0,87k₀, und somit liefern die Gleichungen (4) und (5) θ_a = 60°. Ferner ändert sich, wenn eine Spannung daran angelegt wird und die Intensität eines elektrischen Felds, das durch die Spannung erzeugt wird, auf 20 V/µm eingestellt wird, der äquivalente Brechungsindex um 0,38, und somit wird die Ausbreitungskonstante β durch die FDTD-Berechnung zu 1,11 × (2π/d) berechnet. Demgemäß wird β = 2,67k₀ erhalten. Die gleiche Berechnung wie diejenige, die vorstehend beschrieben worden ist, liefert βN = 0,87k₀, und somit liefern die Gleichungen (4) und (5) θ_a = -60°. Die vorstehenden Ergebnisse sind in der 10 gezeigt. Aus der 10 ist ersichtlich, dass dann, wenn die angelegte Spannung von -20 V/µm zu 20 V/µm geändert wird, der Emissionswinkel von etwa -60° zu etwa +60° geändert werden kann, d.h., um etwa 120°. Unter Berücksichtigung des Vorstehenden zusammen mit den Ergebnissen von 9 wird bei längeren Wellenlängen eines photonischen Bands die elektrisches Feld-Abhängigkeit des äquivalenten Brechungsindex größer und somit kann das Ausmaß einer Änderung des äquivalenten Brechungsindex mit einer Änderung des elektrischen Felds erhöht werden. Demgemäß kann der Emissionswinkel in einem breiten Bereich geändert werden.
<Beispiel 2: Herstellung eines optischen Abtastelements>
1. Herstellung eines Verbundsubstrats
Ein X-geschnittenes Lithiumniobatsubstrat mit einem Durchmesser von 4 Zoll wurde als elektro-optisches Kristallsubstrat hergestellt und ein Siliziumsubstrat mit einem Durchmesser von 4 Zoll wurde als Trägersubstrat hergestellt. Zuerst wurde amorphes Silizium (a-Si) auf das elektro-optische Kristallsubstrat zur Bildung einer Schicht zur Unterdrückung eines optischen Verlusts mit einer Dicke von 20 nm gesputtert. Ferner wurde Siliziumoxid auf das Trägersubstrat zur Bildung einer Hohlraumverarbeitungsschicht mit einer Dicke von 0,5 µm gesputtert und a-Si wurde auf die Hohlraumverarbeitungsschicht zur Bildung einer Verbindungsschicht mit einer Dicke von 20 nm gesputtert. Als nächstes wurde die Oberfläche von jeder der Schicht zur Unterdrückung eines optischen Verlusts und der Verbindungsschicht einem CMP-Polieren unterzogen, so dass der arithmetische Mittenrauwert Ra der Oberfläche von jeder der Schicht zur Unterdrückung eines optischen Verlusts und der Verbindungsschicht auf 0,3 nm oder weniger eingestellt wurde. Als nächstes wurden die Oberflächen der Schicht zur Unterdrückung eines optischen Verlusts und der Verbindungsschicht gewaschen und dann wurden die Schicht zur Unterdrückung eines optischen Verlusts und die Verbindungsschicht direkt miteinander verbunden, um das elektro-optische Kristallsubstrat und das Trägersubstrat miteinander zu integrieren. Das direkte Verbinden wurde so durchgeführt, wie es nachstehend beschrieben ist. In einem Vakuum in der Größenordnung von 10^-6 Pa wurden die Verbindungsoberflächen des elektro-optischen Kristallsubstrats und des Trägersubstrats (die Oberflächen der Schicht zur Unterdrückung eines optischen Verlusts und der Verbindungsschicht) für 70 Sekunden mit neutralen Ar-Hochgeschwindigkeitsatomstrahlen (Beschleunigungsspannung: 1 kV, Ar-Flussrate: 60 sccm) bestrahlt. Nach der Bestrahlung wurden das elektro-optische Kristallsubstrat und das Trägersubstrat zum Abkühlen für 10 Minuten stehengelassen und dann wurden die Verbindungsoberflächen des elektro-optischen Kristallsubstrats und des Trägersubstrats miteinander in Kontakt gebracht, worauf sie für 2 Minuten bei 4,90 kN mit Druck beaufschlagt wurden. Auf diese Weise wurden das elektro-optische Kristallsubstrat und das Trägersubstrat miteinander verbunden. Nach dem Verbinden wurde ein Polieren durchgeführt, bis die Dicke des elektro-optischen Kristallsubstrats 0,4 µm erreichte. Auf diese Weise wurde ein Verbundsubstrat erhalten. In dem resultierenden Verbundsubstrat wurde an einer Verbindungsgrenzfläche ein Defekt, wie z.B. ein Ablösen, nicht festgestellt.
2. Bildung eines Beugungsgitters
Ein Beugungsgitter wurde auf der Oberfläche des elektro-optischen Kristallsubstrats des Verbundsubstrats, das in dem vorstehend genannten Abschnitt 1. erhalten worden ist, gebildet. Eine spezifische Vorgehensweise war derart, wie es nachstehend beschrieben ist. Zuerst wurde Aluminium(Al) zu einem Film ausgebildet, der als Metallmaske auf der Oberfläche des elektro-optischen Kristallsubstrats diente, und eine Harzstruktur wurde auf der Metallmaske durch ein Nanoprägeverfahren gebildet. Die Harzstruktur wurde oberhalb des Abschnitts des elektro-optischen Kristallsubstrats, der als Lichtwellenleiter dient, so ausgebildet, dass sie eine Streifenform aufwies, die sich in einer Richtung senkrecht zu der Wellenleiterrichtung des Lichtwellenleiters erstreckte und eine Periode von 567 nm aufwies (Linie/Zwischenraum: 283,5 nm/283,5 nm), und so, dass sie eine Länge von 1000 µm in der Wellenleiterrichtung des Lichtwellenleiters aufwies. Als nächstes wurde eine Metallmaske mit einer Beugungsgitterstrukturform durch reaktives lonenätzen auf Chlorbasis unter Verwendung der Harzstruktur als Maske gebildet. Als nächstes wurden Beugungsgitterrillen, die jeweils eine Tiefe von 0,05 µm aufwiesen, durch reaktives Ionenätzen auf Fluorbasis durch die Metallmaske einer Beugungsgitterstrukturform gebildet. Schließlich wurde die Metallmaske mit einem Al-Ätzmittel entfernt. Auf diese Weise wurde das Beugungsgitter auf dem Abschnitt des elektro-optischen Kristallsubstrats, der als der Lichtwellenleiter dient, gebildet.
3. Bildung von Elektroden
Ein Paar von Elektroden wurde auf der Oberfläche des elektro-optischen Kristallsubstrats des Verbundsubstrats gebildet, das in dem vorstehend genannten Abschnitt 2. erhalten worden ist, auf dem das Beugungsgitter ausgebildet worden ist. Insbesondere wurde ein Photolack auf jeden des linken und des rechten Endabschnitts des elektro-optischen Kristallsubstrats aufgebracht und eine Elektrodenphotolackstruktur wurde durch ein Photolithographieverfahren gebildet. Als nächstes wurden ein Ti-Film mit einer Dicke von 20 nm, ein Pt-Film mit einer Dicke von 100 nm und ein Au-Film mit einer Dicke von 300 nm nacheinander auf der Oberfläche durch Sputtern gebildet und der Photolack wurde nach der Filmbildung abgehoben. Auf diese Weise wurden die Elektroden gebildet. Eine Lücke zwischen den gebildeten Elektroden betrug 5 µm.
4. Herstellung eines optischen Abtastelements
Ein optisches Abtastelement wurde aus dem Verbundsubstrat hergestellt, das in dem vorstehend genannten Abschnitt 3. erhalten worden ist, auf dem das Beugungsgitter und die Elektroden ausgebildet worden sind. Insbesondere wurde das optische Abtastelement durch die folgende Vorgehensweise hergestellt. Zuerst wurde Molybdän (Mo) zu einem Film ausgebildet, der als Metallmaske auf dem elektro-optischen Kristallsubstrat dient. Als nächstes wurde eine Harzstruktur mit Löchern in einer vorgegebenen Anordnung auf der Metallmaske durch ein Nanoprägeverfahren ausgebildet. Insbesondere wurden 10 Gitterreihen mit Löchern, die jeweils einen Durchmesser von 289 nm bei einer Periode (Abstand) von 425 nm in jeder einer Lichtwellenleiterrichtung und einer Richtung senkrecht zu der Lichtwellenleiterrichtung aufwiesen, als Lochstruktur, die den Löchern eines photonischen Kristalls entspricht, auf jeder der linken Seite und der rechten Seite der Metallmaske ausgebildet. In dem zentralen Abschnitt davon (dem Abschnitt, der schließlich als Lichtwellenleiter dient) wurde kein Loch ausgebildet. Ferner wurden vier Löcher, die jeweils einen Durchmesser von 100 µm aufweisen (eine Struktur von Durchgangslöchern zum Ätzen) in Eckenabschnitten ausgebildet (den Eingangsabschnittsseiten und den Ausgangsabschnittsseiten der Endabschnitte des linken und des rechten Gitterreihenabschnitts gegenüber dem Abschnitt, der als der Lichtwellenleiter dient). Als nächstes wurden Löcher, die den Strukturen entsprechen, in der Mo-Maske durch Ätzen mit einem Mo-Ätzmittel gebildet (Mischflüssigkeit, die Salpetersäure, Essigsäure und Phosphorsäure in einem Mischungsverhältnis von 10:15:1 enthält). Als nächstes wurden die Lochstrukturen und die Durchgangslöcher zum Ätzen in dem elektro-optischen Kristallsubstrat, der Schicht zur Unterdrückung eines optischen Verlusts und der Verbindungsschicht durch reaktives Ionenätzen auf Fluorbasis durch die Mo-Maske mit ausgebildeter Struktur gebildet. Als nächstes wurde das Verbundsubstrat in ein gepuffertes Fluorwasserstoffsäure (BHF)-Ätzmittel eingetaucht, so dass die Hohlraumverarbeitungsschicht entfernt wurde. Auf diese Weise wurde ein Hohlraum gebildet. Ferner wurde der Rest der Mo-Maske mit dem Mo-Ätzmittel entfernt. Schließlich wurde das Verbundsubstrat in Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH), das auf etwa 10 % verdünnt war, eingetaucht, so dass die Schicht zur Unterdrückung eines optischen Verlusts und die Verbindungsschicht geätzt wurden. Auf diese Weise wurde ein optisches Abtastelement-Wafer hergestellt. Der resultierende optisches Abtastelement-Wafer wurde durch Zerteilen in Chips geschnitten, so dass die optischen Abtastelemente bereitgestellt wurden. Die Lichtwellenleiterlänge von jedem der optischen Abtastelemente wurde auf 5 mm eingestellt. Nach dem Schneiden zu Chips wurden die eingangsseitige Endoberfläche und die ausgangsseitige Endoberfläche des Lichtwellenleiters einem Endoberflächenpolieren unterzogen.
Die optische Einfügungsdämpfung von jedem der resultierenden optischen Abtastelemente (Chips) wurde gemessen. Insbesondere wurde Laserlicht mit einer Wellenlänge von 1,025 µm in den Chip (im Wesentlichen dem Lichtwellenleiter der photonischen Kristallschicht) durch eine eingangsseitige Faser mit einem halbkugelförmigen Ende, die mit einer Lichtleitfaser gekoppelt ist, eingeführt, und die Menge des Lichts, das durch eine ausgangsseitige Faser mit einem halbkugelförmigen Ende abgegeben wird, wurde mit einem Photodetektor gemessen, worauf ein Ausbreitungsverlust berechnet wurde. Der Ausbreitungsverlust des Lichtwellenleiters betrug 0,5 dB/cm.
Ferner wurde eine Spannung, die zwischen den Elektroden des optischen Abtastelements angelegt werden soll, zwischen ±100 V umgeschaltet, und die Struktur und der Emissionswinkel des Laserlichts, das von dem Lichtwellenleiter abgegeben wird, wurde untersucht. Bezüglich der Struktur und des Emissionswinkels des Laserlichts wurden der Winkel eines Fächers und die Emissionswinkel-Abhängigkeitseigenschaften der angelegten Spannung mit einem goniophotometrischen Hochgeschwindigkeitsmesssystem (RH50), hergestellt von Otsuka Electronics Co., Ltd., gemessen. Als Ergebnis wies das abgegebene Laserlicht eine sogenannte Fächerstrahlform auf, die in der Draufsicht eine Linienform war und bei einer Betrachtung in der Lichtwellenleiterrichtung eine Fächerform war, und der Winkel des Fächers (der Spreizungswinkel des Fächers) betrug 30°. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass dann, wenn die angelegte Spannung geändert wurde, der Emissionswinkel bezogen auf die senkrechte Richtung des optischen Abtastelements von -60° zu +60° geändert werden konnte.
Darüber hinaus wurde zum experimentellen Verifizieren des Ansprechens des optischen Abtastelements untersucht, ob das Element Licht bei einer Spannung von ±15 V und 50 MHz abtastend führen konnte oder nicht. Als Ergebnis konnte festgestellt werden, dass das Element ein Abtasten problemlos durchführen konnte. Es kann davon ausgegangen werden, dass das optische Abtastelement gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei einer Frequenz in einer Gigahertz-Größenordnung arbeiten kann, da das Element im Prinzip vom Ansprechen eines elektro-optischen Effekts abhängt. Der Betrieb des optischen Abtastelements kann durch dessen Elektrodenstruktur beeinflusst werden.
<Beispiel 3: Herstellung eines optischen Abtastelements>
1. Herstellung eines Verbundsubstrats, 2. Bildung eines Beugungsgitters
Ein Verbundsubstrat mit einem darauf ausgebildeten Beugungsgitter wurde in der gleichen Weise wie in den Abschnitten „1. Herstellung eines Verbundsubstrats“ und „2. Bildung eines Beugungsgitters“ im Beispiel 2 erhalten.
3. Bildung von Elektroden
Als nächstes wurde ein Paar von transparenten Elektroden auf der Oberfläche des elektro-optischen Kristallsubstrats des resultierenden Verbundsubstrats gebildet. Zuerst wurde ein Aluminium-dotierter Zinkoxid (AZO)-Film mit einer Dicke von 100 nm auf der gesamten Oberfläche des elektro-optischen Kristallsubstrats durch ein Sputterverfahren gebildet und ferner wurde durch das Verfahren ein SiO₂-Film mit einer Dicke von 50 nm als Schutzfilm darauf gebildet. Als nächstes wurde ein Photolack aufgebracht und eine Photolackmaskenstruktur wurde auf jeder von sowohl der linken als auch der rechten Seite des Beugungsgitters durch ein Photolithographieverfahren gebildet. Danach wurden der SiO₂-Film und der AZO-Film durch ein reaktives lonenätzen auf Fluorbasis geätzt, so dass eine transparente Elektrodenstruktur gebildet wurde. Schließlich wurde die Photolackmaske mit Aceton entfernt. Eine Lücke zwischen den gebildeten Elektroden betrug 1 µm.
4. Herstellung eines optischen Abtastelements
Ein optisches Abtastelement wurde aus dem Verbundsubstrat hergestellt, das in dem vorstehend genannten Abschnitt 3. hergestellt worden ist, auf dem das Beugungsgitter und die transparenten Elektroden ausgebildet worden sind. Insbesondere wurde das optische Abtastelement durch die folgende Vorgehensweise hergestellt. Zuerst wurde Molybdän (Mo) zu einem Film, der als Metallmaske dient, auf den transparenten Elektroden und dem elektro-optischen Kristallsubstrat ausgebildet. Als nächstes wurde eine Harzstruktur mit Löchern in einer vorgegebenen Anordnung auf der Metallmaske durch ein Nanoprägeverfahren ausgebildet. Insbesondere wurden 10 Gitterreihen mit Löchern, die jeweils einen Durchmesser von 289 nm bei einer Periode (Abstand) von 425 nm in jeder einer Lichtwellenleiterrichtung und einer Richtung senkrecht zu der Lichtwellenleiterrichtung als Lochstruktur, die den Löchern eines photonischen Kristalls entspricht, auf jeder der linken Seite und der rechten Seite der Metallmaske ausgebildet. In deren zentralem Abschnitt (der Abschnitt dient schließlich als Lichtwellenleiter) wurde kein Loch ausgebildet. Ferner wurden vier Löcher, die jeweils einen Durchmesser von 100 µm aufweisen (eine Struktur von Durchgangslöchern zum Ätzen) in Eckenabschnitten (den Seiten des Eingangsabschnitts und den Seiten des Ausgangsabschnitts der Endabschnitte des linken und des rechten Gitterreihenabschnitts gegenüber dem Abschnitt, der als der Lichtwellenleiter dient) ausgebildet. Als nächstes wurden Löcher, die den Strukturen entsprechen, in der Mo-Maske durch Ätzen mit einem Mo-Ätzmittel gebildet (Mischflüssigkeit, die Salpetersäure, Essigsäure und Phosphorsäure in einem Mischungsverhältnis von 10:15:1 enthält). Als nächstes wurden die Lochstrukturen und die Durchgangslöcher zum Ätzen in den transparenten Elektroden, dem elektro-optischen Kristallsubstrat, der Schicht zur Unterdrückung eines optischen Verlusts und der Verbindungsschicht durch reaktives Ionenätzen auf Fluorbasis durch die Mo-Maske mit ausgebildeter Struktur gebildet. Als nächstes wurde das Verbundsubstrat in ein gepuffertes Fluorwasserstoffsäure (BHF)-Ätzmittel eingetaucht, so dass die Hohlraumverarbeitungsschicht entfernt wurde. Auf diese Weise wurde ein Hohlraum gebildet. Ferner wurde der Rest der Mo-Maske mit dem Mo-Ätzmittel entfernt. Schließlich wurde das Verbundsubstrat in Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH), das auf etwa 10 % verdünnt war, eingetaucht, so dass die Schicht zur Unterdrückung eines optischen Verlusts und die Verbindungsschicht geätzt wurden. Auf diese Weise wurde ein optisches Abtastelement-Wafer hergestellt. Der resultierende optisches Abtastelement-Wafer wurde durch Zerteilen in Chips geschnitten, so dass die optischen Abtastelemente bereitgestellt wurden. Die Lichtwellenleiterlänge von jedem der optischen Abtastelemente wurde auf 5 mm eingestellt. Nach dem Schneiden zu Chips wurden die eingangsseitige Endoberfläche und die ausgangsseitige Endoberfläche des Lichtwellenleiters einem Endoberflächenpolieren unterzogen.
Die optische Einfügungsdämpfung von jedem der resultierenden optischen Abtastelemente (Chips) wurde gemessen. Insbesondere wurde Laserlicht mit einer Wellenlänge von 1,025 µm in den Chip (im Wesentlichen dem Lichtwellenleiter der photonischen Kristallschicht) durch eine eingangsseitige Faser mit einem halbkugelförmigen Ende, die mit einer Lichtleitfaser gekoppelt ist, eingeführt, und die Menge des Lichts, das durch eine ausgangsseitige Faser mit einem halbkugelförmigen Ende abgegeben wird, wurde mit einem Photodetektor gemessen, worauf ein Ausbreitungsverlust berechnet wurde. Der Ausbreitungsverlust des Lichtwellenleiters betrug 0,5 dB/cm.
Ferner wurde eine Spannung, die zwischen den Elektroden des optischen Abtastelements angelegt werden soll, zwischen ±25 V umgeschaltet, und die Struktur und der Emissionswinkel des Laserlichts, das von dem Lichtwellenleiter abgegeben wird, wurde untersucht. Bezüglich der Struktur und des Emissionswinkels des Laserlichts wurden der Winkel eines Fächers und die Emissionswinkel-Abhängigkeitseigenschaften der angelegten Spannung mit einem goniophotometrischen Hochgeschwindigkeitsmesssystem (RH50), hergestellt von Otsuka Electronics Co., Ltd., gemessen. Als Ergebnis wies das abgegebene Laserlicht eine sogenannte Fächerstrahlform auf, die in der Draufsicht eine Linienform war und bei einer Betrachtung in der Lichtwellenleiterrichtung eine Fächerform war, und der Winkel des Fächers (der Spreizungswinkel des Fächers) betrug 30°. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass dann, wenn die angelegte Spannung geändert wurde, der Emissionswinkel bezogen auf die senkrechte Richtung des optischen Abtastelements von -60° zu +60° geändert werden konnte.
Darüber hinaus wurde zum experimentellen Verifizieren des Ansprechens des optischen Abtastelements untersucht, ob das Element Licht bei einer Spannung von ±4 V und 50 MHz abtastend führen konnte oder nicht. Als Ergebnis konnte festgestellt werden, dass das Element ein Abtasten problemlos durchführen konnte. Es kann davon ausgegangen werden, dass das optische Abtastelement gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei einer Frequenz in einer Gigahertz-Größenordnung arbeiten kann, da das Element im Prinzip vom Ansprechen eines elektro-optischen Effekts abhängt. Der Betrieb des optischen Abtastelements kann durch dessen Elektrodenstruktur beeinflusst werden.
<Vergleichsbeispiel 1: Herstellung eines optischen Abtastelements>
Optische Abtastelemente (Chips) wurden in der gleichen Weise wie im Beispiel 2 hergestellt, mit der Ausnahme, dass: Ein Siliziumsubstrat anstelle des X-geschnittenen Lithiumniobatsubstrats (elektro-optisches Kristallsubstrat) verwendet wurde; und der Lochdurchmesser und die Periode des Substrats auf 204 nm bzw. 300 nm eingestellt wurden. Jedes der resultierenden optischen Abtastelemente wurde den gleichen Bewertungen wie denjenigen von Beispiel 2 unterzogen. Als Ergebnis betrug der Ausbreitungsverlust des Lichtwellenleiters des Elements 0,5 dB/cm. Ferner war die Laserlichtabgabe von dem Lichtwellenleiter eine sogenannte Fächerstrahlform, die in der Draufsicht eine Linienform war und bei einer Betrachtung von der Lichtwellenleiterrichtung eine Fächerform war, und der Winkel des Fächers (der Spreizungswinkel des Fächers) betrug 30°. Darüber hinaus änderte sich selbst dann, wenn eine Spannung, die an das optische Abtastelement angelegt werden soll, geändert wurde, der Emissionswinkel des Laserlichts nicht.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Das optische Abtastelement gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann als sogenannte Abtasteinrichtung bzw. Scanner in einem breiten Bereich verwendet werden. Das optische Abtastelement wird beispielsweise als Laserradar, Laserabtasteinrichtung bzw. -scanner oder LIDAR eingesetzt und kann auf ein Gegenstandserfassungssystem oder Entfernungsmesssystem für die automatische Betriebssteuerung eines Kraftfahrzeugs bzw. Automobils oder für die Positionssteuerung eines Roboters oder einer Drohne angewandt werden.
Bezugszeichenliste

10: Elektro-optisches Kristallsubstrat
12: Loch
16: Lichtwellenleiter
20: Verbindungsabschnitt
30: Trägersubstrat
40: Elektrode
50: Beugungsgitter
60: Überzugsschicht
80: Hohlraum
100: Optisches Abtastelement
101: Optisches Abtastelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2017126386 A1 [0002]
WO 2018003852 A1 [0002]
WO 2018186471 A1 [0002]
JP 4208754 B2 [0002]

Claims

Optisches Abtastelement, umfassend: eine photonische Kristallschicht mit Löchern, die periodisch in einem elektro-optischen Kristallsubstrat ausgebildet sind; einen Lichtwellenleiter mit eindimensionaler Gitterstörung, der in der photonischen Kristallschicht ausgebildet ist; ein Beugungsgitter, das in mindestens einem Abschnitt, ausgewählt aus einem oberen Abschnitt, einem linksseitigen Oberflächenabschnitt und einem rechtsseitigen Oberflächenabschnitt, des Lichtwellenleiters mit eindimensionaler Gitterstörung angeordnet ist; und Elektroden, die auf einer linken Seite und einer rechten Seite des Lichtwellenleiters mit eindimensionaler Gitterstörung angeordnet sind, wobei das optische Abtastelement so ausgebildet ist, dass ein Emissionswinkel von Licht, das von einer oberen Oberfläche des Lichtwellenleiters mit eindimensionaler Gitterstörung emittiert wird, geändert wird.
Optisches Abtastelement nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein Trägersubstrat, das unterhalb des elektro-optischen Kristallsubstrats angeordnet ist, wobei das Trägersubstrat zum Stützen des elektro-optischen Kristallsubstrats ausgebildet ist; einen Verbindungsabschnitt, der zum miteinander Integrieren des elektro-optischen Kristallsubstrats und des Trägersubstrats ausgebildet ist; und einen Hohlraum, der durch eine untere Oberfläche des elektro-optischen Kristallsubstrats, eine obere Oberfläche des Trägersubstrats und den Verbindungsabschnitt festgelegt ist.
Optisches Abtastelement nach Anspruch 1 oder 2, das ferner eine Überzugsschicht umfasst, die auf einer oberen Oberfläche der photonischen Kristallschicht angeordnet ist, wobei das Beugungsgitter in einem Abschnitt auf einer oberen Oberfläche der Überzugsschicht angeordnet ist, der dem Lichtwellenleiter mit eindimensionaler Gitterstörung entspricht.
Optisches Abtastelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Beugungsgitter eine Mehrzahl von Gitterrillen aufweist, die sich in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu einer Wellenleiterrichtung des Lichtwellenleiters mit eindimensionaler Gitterstörung erstrecken.
Optisches Abtastelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Lichtwellenleiter mit eindimensionaler Gitterstörung eine Länge von 5 mm oder weniger aufweist.
Optisches Abtastelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das elektro-optische Kristallsubstrat eines, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Lithiumniobat; Lithiumtantalat; Kaliumtitanatphosphat; Kaliumlithiumniobat; Kaliumniobat; Kaliumtantalatniobat; und einer festen Lösung von Lithiumniobat und Lithiumtantalat, umfasst.
Optisches Abtastelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Elektroden lichtdurchlässig sind und so oberhalb der photonischen Kristallschicht angeordnet sind, dass sie die Löcher überlappen.