DE112021006089T5

DE112021006089T5 - Optisches Abtastelement

Info

Publication number: DE112021006089T5
Application number: DE112021006089.9T
Authority: DE
Inventors: Kentaro Tani; Jungo Kondo
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2021-02-01
Filing date: 2021-08-19
Publication date: 2023-09-28
Also published as: JPWO2022162981A1; US20230314899A1; WO2022162981A1

Abstract

Es wird ein optisches Abtastelement bereitgestellt, das einen großen Abtastwinkel aufweist, schnell anspricht und verkleinert werden kann. Ein optisches Abtastelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst: Eine erste Lichtablenkungseinrichtung zum Emittieren von Licht zu einem ersten Bereich; und eine zweite Lichtablenkungseinrichtung zum Emittieren des Lichts, das zu dem ersten Bereich emittiert worden ist, zu einem zweiten Bereich, der breiter ist als der erste Bereich. Die erste Lichtablenkungseinrichtung ist so ausgebildet, dass deren Brechungsindex durch eine Änderung der angelegten Spannung geändert wird und der erste Bereich durch die Änderung des Brechungsindex eingestellt wird, und die zweite Lichtablenkungseinrichtung ist zum Einstellen des zweiten Bereichs durch Beugung ausgebildet.

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 einen großflächigen Anzeigeschirm oder Projektor mit einer hohen Auflösung und einer hohen Bildqualität und somit wurde die Entwicklung eines optischen Abtastelements zum Abtasten eines Gegenstands mit Laserlicht in einem breiten Winkel aktiv betrieben. In den letzten Jahren wurde eine Untersuchung bezüglich der Anwendung des optischen Abtastelements auf ein Hinderniserfassungssystem oder ein Entfernungsmesssystem für die automatische Betriebssteuerung eines Kraftfahrzeugs bzw. Automobils oder für die Positionssteuerung eines Roboters oder einer Drohne durchgeführt, da das Element als Laserradar, Laserscanner bzw. -abtastgerät 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 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 verändert wird. Demgemäß ist dann, wenn die Lichtablenkeinrichtung in den vorstehend beschriebenen Anwendungen eingesetzt wird, deren Abtastwinkel nicht ausreichend. Darüber hinaus weist die Lichtablenkeinrichtung eines 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, wenn sie erwärmt wird, ein Problem dahingehend aufweist, 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, schnell anspricht und verkleinert werden kann.
Lösung des Problems
Ein optisches Abtastelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst: Eine erste Lichtablenkungseinrichtung zum Emittieren von Licht zu einem ersten Bereich; und eine zweite Lichtablenkungseinrichtung zum Emittieren des Lichts, das zu dem ersten Bereich emittiert worden ist, zu einem zweiten Bereich, der breiter ist als der erste Bereich. Die erste Lichtablenkungseinrichtung ist so ausgebildet, dass deren Brechungsindex durch eine Änderung der angelegten Spannung geändert wird und der erste Bereich durch die Änderung des Brechungsindex eingestellt wird, und die zweite Lichtablenkungseinrichtung ist zum Einstellen des zweiten Bereichs durch Beugung ausgebildet.
In einer Ausführungsform ist die erste Lichtablenkungseinrichtung eine, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Einer Kombination aus einem photonischen Kristall und einem Beugungsgitter; einem phasengesteuerten optischen Feld; und einer variablen optischen Metaoberfläche.
In einer Ausführungsform ist die zweite Lichtablenkungseinrichtung ein Beugungsgitter.
In einer Ausführungsform umfasst die erste Lichtablenkungseinrichtung: Eine photonische Kristallschicht, die durch periodisches Bilden von Löchern in einem elektrooptischen Kristallsubstrat erhalten wird; einen Lichtwellenleiter mit einem Liniendefekt, 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. Die erste Lichtablenkungseinrichtung ist so ausgebildet, dass sich ein Emissionswinkel von Licht, das von einer oberen Oberfläche des Lichtwellenleiters emittiert wird, ändert.
In einer Ausführungsform weist das Beugungsgitter eine Mehrzahl von Gitterrillen auf, die sich in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu einer Wellenleitrichtung des Lichtwellenleiters erstrecken.
In einer Ausführungsform ist die zweite Lichtablenkungseinrichtung ein Beugungsgitter mit Gitterrillen und die Richtung, in der sich die Gitterrillen in der ersten Lichtablenkungseinrichtung erstrecken, und die Richtung, in der sich die Gitterrillen in der zweiten Lichtablenkungseinrichtung erstrecken, sind im Wesentlichen senkrecht zueinander.
In einer Ausführungsform ist die zweite Lichtablenkungseinrichtung ein Beugungsgitter mit Gitterrillen und die Richtung, in der sich die Gitterrillen in der ersten Lichtablenkungseinrichtung erstrecken, und die Richtung, in der sich die Gitterrillen in der zweiten Lichtablenkungseinrichtung erstrecken, sind im Wesentlichen parallel zueinander.
In einer Ausführungsform umfasst die erste Lichtablenkungseinrichtung ferner: Ein Trägersubstrat, das unterhalb des elektrooptischen Kristallsubstrats angeordnet ist, wobei das Trägersubstrat zum Stützen des elektrooptischen Kristallsubstrats ausgebildet ist; einen Verbindungsabschnitt, der zum miteinander Integrieren des elektrooptischen Kristallsubstrats und des Trägersubstrats ausgebildet ist; und einen Hohlraum, der durch eine untere Oberfläche des elektrooptischen Kristallsubstrats, eine obere Oberfläche des Trägersubstrats und den Verbindungsabschnitt festgelegt ist.
In einer Ausführungsform umfasst das elektrooptische Kristallsubstrat eines, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Lithiumniobat; Lithiumtantalat; Kaliumtitanatphosphat; Kaliumlithiumniobat; Kaliumniobat; Kaliumtantalatniobat; und einer festen Lösung von Lithiumniobat und Lithiumtantalat.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden in dem optischen Abtastelement die erste Lichtablenkungseinrichtung, die so, dass sich der Brechungsindex durch eine Änderung der angelegten Spannung ändert, und zum Einstellen des ersten Bereichs, der als ein Bereich dient, zu dem Licht durch die Änderung des Brechungsindex emittiert wird, ausgebildet ist, und die zweite Lichtablenkungseinrichtung zum Emittieren des Lichts, das zu dem ersten Bereich emittiert worden ist, zu dem zweiten Bereich, der breiter ist als der erste Bereich, durch Beugung ausgebildet ist, in einer Kombination verwendet. Folglich kann ein optisches Abtastelement, das einen großen Abtastwinkel aufweist, schnell anspricht und verkleinert werden kann, erhalten werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1A ist eine Konzeptansicht zur Darstellung des Mechanismus, durch den ein optischer Abtastbereich durch eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erweitert wird.
1B ist eine Konzeptansicht zur Darstellung des Mechanismus, durch den der optische Abtastbereich durch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erweitert wird.
2A ist eine schematische perspektivische Ansicht zur Darstellung einer ersten Lichtablenkungseinrichtung in einem optischen Abtastelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2B ist eine schematische perspektivische Ansicht des optischen Abtastelements, das die erste Lichtablenkungseinrichtung von 2A umfasst.
3A ist eine schematische perspektivische Ansicht zur Darstellung der ersten Lichtablenkungseinrichtung in einem optischen Abtastelement gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3B ist eine schematische perspektivische Ansicht des optischen Abtastelements, das die erste Lichtablenkungseinrichtung von 3A umfasst.
4 ist eine schematische Schnittansicht eines Beispiels für die erste Lichtablenkungseinrichtung in dem optischen Abtastelement gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine schematische Schnittansicht eines weiteren Beispiels der ersten Lichtablenkungseinrichtung in dem optischen Abtastelement gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine schematische Schnittansicht zur Darstellung der Ausbreitung und Emission (Abstrahlung) von Licht in einem Beugungsgitter, das in der ersten Lichtablenkungseinrichtung des optischen Abtastelements gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
7 ist ein Graph, der die Wellenlängenabhängigkeit einer äquivalenten Brechungsindexdifferenz zeigt.
8 ist ein Graph, der Beziehungen zwischen der äquivalenten Brechungsindexdifferenz und einer angelegten Spannung (elektrisches Feld) bei verschiedenen Wellenlängen zeigt.
9(a) bis 9(e) sind jeweils eine schematische Schnittansicht zur Darstellung eines Beispiels für ein Verfahren zur Herstellung des optischen Abtastelements gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

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 in Bezug auf die Wellenleitrichtung eines Lichtwellenleiters (die Richtung, in der sich Licht in dem Lichtwellenleiter ausbreitet). Der Ausdruck „im Wesentlichen parallel“ umfasst einen Fall, bei dem ein Winkel, der durch zwei Richtungen gebildet wird, 0° ± 5° beträgt, und der Winkel beträgt vorzugsweise 0° ± 3°, mehr bevorzugt 0° ± 1°. Der Ausdruck „im Wesentlichen senkrecht“ umfasst einen Fall, bei dem ein Winkel, der durch zwei Richtungen gebildet wird, 90° ± 5° beträgt, und der Winkel beträgt vorzugsweise 90° ± 3°, mehr bevorzugt 90° ± 1°. Darüber hinaus umfasst der einfache Begriff „parallel“ oder „senkrecht“ das Konzept des Ausdrucks „im Wesentlichen parallel“ oder „im Wesentlichen senkrecht“.
A. Konzept und schematischer Aufbau des optischen Abtastelements
Zuerst wird der Mechanismus, durch den ein optischer Abtastbereich durch die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erweitert wird, konzeptartig beschrieben. Die 1A und 1B sind jeweils eine Konzeptansicht zur Darstellung eines solchen Mechanismus. Ein optisches Abtastelement 300 umfasst eine erste Lichtablenkungseinrichtung 100 und eine zweite Lichtablenkungseinrichtung 200. Die erste Lichtablenkungseinrichtung 100 emittiert Licht (Licht, das in das optische Abtastelement eingetreten ist) zu einem ersten Bereich A1. Die erste Lichtablenkungseinrichtung 100 ist typischerweise so, dass sich deren Brechungsindex durch eine Änderung der angelegten Spannung ändert, und ist zum Einstellen des ersten Bereichs durch die Änderung des Brechungsindex ausgebildet. Insbesondere ist die Einrichtung derart, wie es nachstehend beschrieben ist. Bei dem Licht, das von der ersten Lichtablenkungseinrichtung 100 emittiert wird, handelt es sich typischerweise um sogenannte Fächerstrahlen, die in der Draufsicht Linienformen sind (Linienformen in der Richtung senkrecht zu der Lichtwellenleiterrichtung) und bei einer Betrachtung von der Lichtwellenleiterrichtung eine Fächerform aufweisen. Wenn der Brechungsindex in der ersten Lichtablenkungseinrichtung 100 durch Anlegen einer Spannung geändert wird, kann der variable Bereich α des Emissionswinkels des Lichts eingestellt werden. Als Ergebnis kann die Länge des ersten Bereichs A1 in der Lichtwellenleiterrichtung eingestellt werden. D.h. in dem gezeigten Beispiel kann die erste Lichtablenkungseinrichtung 100 das Licht (Fächerstrahlen) zu jedweder geeigneten Position des ersten Bereichs A1 in der Lichtwellenleiterrichtung emittieren. Der Winkel (Ausbreitungswinkel der Fächerstrahlen) ϕ des Fächers kann durch Einstellen der Breite des Lichtwellenleiters eingestellt werden. Folglich kann der erste Bereich A1 (im Wesentlichen die Form des ersten Bereichs: Dessen Längen in der Lichtwellenleiterrichtung und der Richtung senkrecht zu der Lichtwellenleiterrichtung) durch die erste Lichtablenkungseinrichtung 100 eingestellt werden. Ferner kann der folgende Vorteil dadurch erreicht werden, dass als die erste Lichtablenkungseinrichtung ein Aufbau eingesetzt wird, dessen Brechungsindex durch eine Änderung der angelegten Spannung geändert wird und der den Bereich, zu dem das Licht emittiert wird, durch die Änderung des Brechungsindex einstellt. D.h., eine solche erste Lichtablenkungseinrichtung kann den Emissionswinkel durch eine kontinuierliche Änderung der Spannung kontinuierlich ändern. Demgemäß kann das optische Abtastelement, bei dem eine solche erste Lichtablenkungseinrichtung verwendet wird, einen Zielgegenstand mit dem Licht bestrahlen, ohne dass irgendein Bestrahlungsdefekt verursacht wird. Als Ergebnis kann eine ganz hervorragende Auflösung erreicht werden und somit können die Sicherheit und die Zuverlässigkeit, wenn das optische Abtastelement als LiDAR verwendet wird, beträchtlich verbessert werden. In dem gezeigten Beispiel ist für eine einfache Betrachtung der erste Bereich A1 an einer Position festgelegt, die um einen vorgegebenen Abstand von der ersten Lichtablenkungseinrichtung 100 entfernt ist. Eine Differenz bei dem Bereich des ersten Bereichs A1 aufgrund einer Differenz bei dessen Abstand von der ersten Lichtablenkungseinrichtung 100 wird jedoch kein Problem, da die erste Lichtablenkungseinrichtung 100 und die zweite Lichtablenkungseinrichtung 200 nahe beieinander vorliegen. Im Wesentlichen muss der erste Bereich A1 nur an der Position der zweiten Lichtablenkungseinrichtung 200 festgelegt sein.
Jedweder geeignete Aufbau kann als die erste Lichtablenkungseinrichtung 100 eingesetzt werden, solange sich der Brechungsindex des Aufbaus durch eine Änderung der angelegten Spannung ändert und der erste Bereich durch die Änderung des Brechungsindex eingestellt werden kann. Beispiele für einen solchen Aufbau umfassen: Eine Kombination aus einem photonischen Kristall und einem Beugungsgitter; ein phasengesteuertes optisches Feld; und eine variable optische Metaoberfläche. Die Kombination aus dem photonischen Kristall und dem Beugungsgitter ist als typisches Beispiel später in dem Abschnitt B beschrieben. Das phasengesteuerte optische Feld steuert die Phase von eingeführtem Licht, das zu dessen Wellenleiterfeld verteilt worden ist, durch einen elektrooptischen Effekt zum Einstellen von dessen Ablenkungsrichtung. Das Feld kann eindimensional (linear) sein oder es kann zweidimensional sein (Matrixform). Das Feld ist vorzugsweise eindimensional. Dies ist darauf zurückzuführen, dass das Feld eine hohe Affinität für die zweite Lichtablenkungseinrichtung (typischerweise ein Beugungsgitter) aufweist. Ein Aufbau, der beispielsweise in JP 2017-521734 A beschrieben ist, kann als das phasengesteuerte optische Feld eingesetzt werden. Der Begriff „Metaoberfläche“ bezieht sich auf eine Technologie, bei der die Durchlässigkeit, die Phase, die Ablenkungsrichtung, die Wellenfront und dergleichen von Licht mit einem Strukturkörper eingestellt werden, der eine Größe aufweist, die geringer ist als dessen Wellenlänge. In einer variablen Metaoberfläche ist der Metaoberfläche beispielsweise ein mechanischer, optischer oder elektrooptischer Verformungsmechanismus hinzugefügt worden, um die Einstellung von deren optischen Eigenschaften zu ermöglichen. Die variable optische Metaoberfläche ist beispielsweise ein Aufbau, der verschiedene Spannungen an jeweilige optische resonante Antennen anlegt, die in der Art eines eindimensionalen Felds zum Einstellen der Ablenkungsrichtung von Licht angeordnet sind. Wie in dem Fall des vorstehend genannten phasengesteuerten optischen Felds weist ein solcher eindimensionaler Feldaufbau eine hohe Affinität für die zweite Lichtablenkungseinrichtung (typischerweise ein Beugungsgitter) auf. Ein Aufbau, der beispielsweise in US 10665953 B1 beschrieben ist, kann als die variable optische Metaoberfläche eingesetzt werden. Nur ein Aufbau, bei dem deren Brechungsindex direkt durch ein elektrisches Feld geändert wird, kann als die erste Lichtablenkungseinrichtung 100 eingesetzt werden, und beispielsweise ist ein Aufbau, bei dem deren Brechungsindex durch Nutzen eines thermooptischen Effekts, der durch die Joule'sche Wärme eines elektrischen Stroms auftritt, der durch Anlegen einer Spannung erzeugt wird, geändert wird, nicht umfasst.
Die zweite Lichtablenkungseinrichtung 200 emittiert das Licht, das zu dem ersten Bereich A1 emittiert worden ist, zu einem zweiten Bereich A2, der breiter ist als der erste Bereich A1. Die zweite Lichtablenkungseinrichtung 200 ist typischerweise zum Einstellen des zweiten Bereichs A2 durch Beugung ausgebildet. D.h., die zweite Lichtablenkungseinrichtung 200 kann ein Beugungsgitter sein. Die Verwendung des gebeugten Lichts des Lichts, das zu dem ersten Bereich A1 emittiert wird, wobei das gebeugte Licht eine vorgegebenen Beugungsordnung aufweist, ermöglicht die Emission des Lichts zu dem zweiten Bereich A2, der breiter ist als der erste Bereich A1. Das Beugungsgitter weist typischerweise Gitterrillen auf. Die Einstellung der Richtung, in der sich die Gitterrillen erstrecken, kann den zweiten Bereich A2 (im Wesentlichen die Erweiterung des zweiten Bereichs) einstellen. Beispielsweise wenn die Richtung, in der sich die Gitterrillen des Beugungsgitters erstrecken, auf eine Richtung im Wesentlichen parallel zu der Lichtwellenleiterrichtung eingestellt wird, können Beugungsbilder plus und minus erster Ordnung in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Lichtwellenleiterrichtung durch einen Beugungseffekt auf dem ersten Bereich A1 gebildet werden und als Ergebnis als der zweite Bereich A2 erweitert werden. Ein solcher Aufbau kann nützlich sein, wenn der erste Bereich A1 eine längliche Form entlang der Lichtwellenleiterrichtung aufweist, wie es in der 1A gezeigt ist. Insbesondere kann die erste Lichtablenkungseinrichtung, deren Brechungsindex sich durch eine Änderung der angelegten Spannung ändert und die den Bereich einstellt, zu dem das Licht durch die Änderung des Brechungsindex emittiert wird, den Emissionsbereich des Lichts im Wesentlichen nur in der Lichtwellenleiterrichtung einstellen, und somit wird der Effekt des Kombinierens der Einrichtung mit der zweiten Lichtablenkungseinrichtung signifikant. Darüber hinaus können beispielsweise, wenn die Richtung, in der sich die Gitterrillen des Beugungsgitters erstrecken, auf eine Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Lichtwellenleiterrichtung eingestellt wird, Beugungsbilder plus und minus erster Ordnung in der Lichtwellenleiterrichtung durch den Beugungseffekt auf dem ersten Bereich A1 gebildet werden und als Ergebnis als der zweite Bereich A2 erweitert werden. Ein solcher Aufbau kann nützlich sein, wenn der erste Bereich A1 eine längliche Form entlang einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Lichtwellenleiterrichtung aufweist, wie es in der 1B gezeigt ist. Es kann schwierig sein, nur mit der ersten Lichtablenkungseinrichtung den Öffnungswinkel ϕ der Fächerstrahlen zu vergrößern und den variablen Bereich α des Emissionswinkels zu vergrößern. Im Gegensatz dazu kann sich, wenn die erste Lichtablenkungseinrichtung und die zweite Lichtablenkungseinrichtung miteinander kombiniert sind, in dem Fall, bei dem der Öffnungswinkel ϕ der Fächerstrahlen, die von der ersten Lichtablenkungseinrichtung emittiert werden, groß ist, der variable Bereich α des Emissionswinkels im Wesentlichen in der Lichtwellenleiterrichtung erweitern. In dem gezeigten Beispiel ist ein Fall gezeigt, bei dem Licht nullter Ordnung und Lichtstrahlen plus und minus erster Ordnung verwendet werden. Wie es vorstehend beschrieben ist, kann jedoch je nach den Zwecken gebeugtes Licht mit jedweder geeigneten Beugungsordnung als das gebeugte Licht verwendet werden.
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 optisches Abtastelement-Wafers erhalten wird.
Ein Aufbau, bei dem die erste Lichtablenkungseinrichtung eine Kombination aus einem photonischen Kristall und einem Beugungsgitter ist, ist nachstehend als typisches Beispiel des optischen Abtastelements beschrieben.
B. Erste Lichtablenkungseinrichtung
B-1. Gesamtaufbau der ersten Lichtablenkungseinrichtung
Die 2A ist eine schematische perspektivische Ansicht zur Darstellung eines Zustands, bei dem die zweite Lichtablenkungseinrichtung in dem optischen Abtastelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, d.h., der ersten Lichtablenkungseinrichtung, entfernt ist, die 2B ist eine schematische perspektivische Ansicht des optischen Abtastelements, das die erste Lichtablenkungseinrichtung von 2A umfasst, die 3A ist eine schematische perspektivische Ansicht zur Darstellung eines Zustands, bei dem die zweite Lichtablenkungseinrichtung in einem optischen Abtastelement gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, d.h., der ersten Lichtablenkungseinrichtung, entfernt ist, und die 3B ist eine schematische perspektivische Ansicht des optischen Abtastelements, das die erste Lichtablenkungseinrichtung von 3A umfasst. Wie es in jeder der 2B und 3B gezeigt ist, umfasst das optische Abtastelement 300 die erste Lichtablenkungseinrichtung 100 und die zweite Lichtablenkungseinrichtung 200. Die erste Lichtablenkungseinrichtung 100 wird unter Bezugnahme auf 2A, 3A, 4 und 5 beschrieben. Die 4 ist eine schematische Schnittansicht eines Beispiels für die erste Lichtablenkungseinrichtung und die 5 ist eine schematische Schnittansicht eines weiteren Beispiels für die erste Lichtablenkungseinrichtung. Die erste Lichtablenkungseinrichtung 100 umfasst: Eine photonische Kristallschicht 10, die durch periodisches Bilden von Löchern 12 in einem elektrooptischen Kristallsubstrat 14 gebildet wird; einen Lichtwellenleiter 16, der als Abschnitt in der photonischen Kristallschicht 10 festgelegt ist, wo die Löcher 12 nicht ausgebildet sind (d.h., der als Liniendefekt dient, der 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 die erste Lichtablenkungseinrichtung 100 ferner umfassen: Ein Trägersubstrat 30, das unterhalb des elektrooptischen Kristallsubstrats (der photonischen Kristallschicht) 10 angeordnet ist, wobei das Trägersubstrat zum Stützen des elektrooptischen Kristallsubstrats (der photonischen Kristallschicht) 10 ausgebildet ist; einen Verbindungsabschnitt 20, der zum miteinander Integrieren des elektrooptischen Kristallsubstrats (der photonischen Kristallschicht) 10 und des Trägersubstrats 30 ausgebildet ist; und einen Hohlraum 80, der durch die untere Oberfläche des elektrooptischen Kristallsubstrats (der photonischen Kristallschicht) 10, der oberen Oberfläche des Trägersubstrats 30 und den Verbindungsabschnitt 20 festgelegt ist. Die erste Lichtablenkungseinrichtung 100 ist so, dass deren Brechungsindex durch eine Spannung geändert wird, die zwischen den Elektroden 40 und 40 geändert wird, und zum Ändern des Emissionswinkels von Licht, das von der oberen Oberfläche des Lichtwellenleiters 16 emittiert wird, durch die Änderung des Brechungsindex ausgebildet.
Als das Beugungsgitter 50 kann jedweder geeignete Aufbau eingesetzt werden, solange Licht von der oberen Oberfläche des Lichtwellenleiters 16 emittiert werden kann. Beispielsweise kann das Beugungsgitter flach sein, kann uneben sein oder kann ein Hologramm nutzen. In dem Fall eines flachen Beugungsgitters wird die Struktur des Beugungsgitters beispielsweise durch eine Brechungsindexdifferenz ausgebildet 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 einen Streifen, ein Gitter, einen Punkt und eine spezifische Form (z.B. eine Sternform). Die Richtungen und Abstände der Streifen, die Anordnungsstruktur der Punkte und dergleichen können gemäß den Zwecken 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 Wellenleitrichtung des Lichtwellenleiters 16 erstrecken. D.h., in einer Ausführungsform weist das Beugungsgitter eine Streifenstruktur im Wesentlichen senkrecht zu der Wellenleitrichtung des Lichtwellenleiters auf.
Das Beugungsgitter 50 kann auf der Gesamtheit des Lichtwellenleiters 16 in der Wellenleitrichtung ausgebildet sein oder kann in einem vorgegebenen Bereich entlang der Wellenleitrichtung des Lichtwellenleiters 16 ausgebildet sein. Die Anzahl der vorgegebenen Bereiche kann eins oder zwei oder mehr betragen. 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 Form der Transversalmode des Lichts in einem Abschnitt in dem Lichtwellenleiter stabilisiert werden, bei dem das Beugungsgitter nicht angeordnet ist. Folglich kann das Licht durch einen Beugungseffekt in dem Beugungsgitterbereich in zufriedenstellender Weise von der oberen Oberfläche des Lichtwellenleiters emittiert werden. Darüber hinaus kann eine Struktur von gebeugtem Licht mit einer zufriedenstellenden Symmetrie erreicht werden und somit kann ein emittiertes Licht erhalten werden, das eine glatte Intensitätsverteilung aufweist und frei von jedweder Welligkeit ist. Die Bildungsposition des Beugungsgitters in der Längsrichtung des Lichtwellenleiters kann gemäß den Zwecken in einer geeigneten Weise eingestellt werden. Die Bildungsposition des Beugungsgitters kann beispielsweise gemäß eines Schaltkreises, mit dem das optische Abtastelement verbunden wird, und eines Verfahrens zum Verbinden derselben festgelegt werden.
Das Beugungsgitter 50 kann vorzugsweise direkt oberhalb des Lichtwellenleiters angeordnet werden (das Beugungsgitter kann auf dem elektrooptischen Kristallsubstrat ausgebildet werden oder kann getrennt von dem elektrooptischen Kristallsubstrat gebildet werden oder beide dieser Vorgänge können gleichzeitig durchgeführt werden). Durch einen solchen Aufbau können das Beugungsgitter und geleitetes Licht effektiv miteinander in Wechselwirkung treten und als Ergebnis kann eine ganz hervorragende Beugungseffizienz erhalten 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 nachteilig beeinflusst wird. Die Elektroden 40 und 40 werden typischerweise auf den oberen Oberflächen des linksseitigen Endabschnitts und des rechtsseitigen Endabschnitts der photonischen Kristallschicht (des elektrooptischen Kristallsubstrats) 10 angeordnet.
Die 5 ist eine schematische Schnittansicht eines weiteren Beispiels der ersten Lichtablenkungseinrichtung. Die erste Lichtablenkungseinrichtung des gezeigten Beispiels umfasst ferner eine Mantelschicht 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 Mantelschicht 60 angeordnet, der dem Lichtwellenleiter 16 entspricht, und die Elektroden 40 und 40 sind auf den oberen Oberflächen der Mantelschicht 60 angeordnet, die in dem linksseitigen Endabschnitt und dem rechtsseitigen Endabschnitt der photonischen Kristallschicht (dem elektrooptischen Kristallsubstrat) 10 ausgebildet sind. Die Mantelschicht 60 kann nur zwischen jeder der Elektroden 40 und dem elektrooptischen Kristallsubstrat (der photonischen Kristallschicht) 10 ausgebildet sein oder kann nur direkt oberhalb des Lichtwellenleiters 16 ausgebildet sein.
Nachstehend wird der Betrieb der ersten Lichtablenkungseinrichtung beschrieben und dann werden spezifische Konfigurationen der jeweiligen Bestandteile der ersten Lichtablenkungseinrichtung später im Abschnitt B-3 bis zum Abschnitt B-8 beschrieben. Für jede der Elektroden kann ein Aufbau eingesetzt werden, der bekannt ist und üblicherweise in dem Fachgebiet verwendet wird, und somit wird deren detaillierte Beschreibung weggelassen.
B-2. Betrieb der ersten Lichtablenkungseinrichtung
Beim Betrieb der ersten Lichtablenkungseinrichtung wird bewirkt, dass Licht von der Eintrittsoberfläche des Lichtwellenleiters 16 eintritt. Nachstehend wird das eintretende Licht beschrieben. Laserlicht, das bei einer einzelnen Wellenlänge oszilliert, wobei es sich um Laserlicht handelt, das für LiDAR verwendet wird, kann als das eintretende Licht verwendet werden. Die Longitudinalmode des Laserlichts kann eine Multimode oder eine Einfachmode sein und dessen Transversalmode kann eine Multimode oder eine Einfachmode sein. Jede der Longitudinalmode und der Transversalmode des Laserlichts ist vorzugsweise eine Einzelmode. Ein solcher Aufbau kann die Erweiterung des Laserlichts verhindern und kann somit die räumliche Auflösung verbessern. Während sich das eingetretene Licht in dem Lichtwellenleiter 16 ausbreitet, wird das gebeugte Licht von der oberen Oberfläche des Elements durch die Wirkung des Beugungsgitters 50 emittiert. Die Wirkung wird unter Bezugnahme auf die 6 detaillierter beschrieben. Die 6 ist eine schematische Schnittansicht zur Veranschaulichung 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 Wellenleitrichtung des Lichtwellenleiters 16 erstrecken. Das Beugungsgitter des gezeigten Beispiels ist in einer Draufsicht eine Gitterstruktur in einer Richtung senkrecht zu der Richtung des Wellenleiters 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. Das 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 Wellenleitrichtung beispielsweise mit einer Ausbreitungskonstante β_o aus. In dem Beugungsgitter mit der Periode Λ breitet sich Licht mit einer Ausbreitungskonstante aus, die eine Phasenbedingung erfüllt, die durch die nachstehend angegebene Gleichung (1) dargestellt ist: $β_{q} = β_{0} + qK (q = 0, \pm 1, \pm 2, \dots)$
wobei β_o die Ausbreitungskonstante einer Wellenleitermode in dem Lichtwellenleiter darstellt, wenn kein Beugungsgitter vorliegt, und K durch die nachstehend angegebene Gleichung dargestellt ist. $K = 2 π / Λ$
Wenn eine Ordnung „q“, welche die nachstehend angegebene Formel erfüllt, vorliegt, kann das Licht sowohl zu der Oberseite als auch der Unterseite 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, kann in der ersten Lichtablenkungseinrichtung der Hohlraum 80 als der untere Mantel wirken und ein oberer Luftabschnitt kann als der obere Mantel wirken und somit können n_a und n_s jeweils 1 darstellen.
Emissionswinkel θ_a und θ_s in Bezug auf eine Referenzoberfläche können jeweils aus der nachstehend angegebenen Gleichung (2) bestimmt werden. Eine Oberfläche, welche die Wellenleitrichtung des Lichtwellenleiters 16 als eine 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 nachstehend angegebene 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, die berechnet werden, wenn q = -1 ist, emittiert werden.
$\begin{matrix} n_{wg} \cdot \frac{2 π}{λ} + \frac{2 π}{Λ} q = n_{a} \cdot \frac{2 π}{λ} \cdot sin θ a \\ = n_{s} \cdot \frac{2 π}{λ} \cdot sin θ s \end{matrix}$
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 einem Liniendefekt) ausbreitet, der durch Entfernen der Löcher, die einer Reihe in dem photonischen Kristall entsprechen, gebildet worden ist. Gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird dann, wenn der photonische Kristall (photonische Kristallschicht) in dem elektrooptischen Kristallsubstrat ausgebildet ist, der äquivalente Brechungsindex bei längeren Wellenlängen eines photonischen Bands extrem groß und der äquivalente Brechungsindex wird durch Anlegen einer Spannung stark verändert. Als Ergebnis kann die Änderung (eines elektrischen Felds, das gebildet wird durch die) der angelegte(n) Spannung n_wg in der Gleichung (3) stark verändern und kann somit den Emissionswinkel θ_a stark verändern. Mit anderen Worten, die Änderung der angelegten Spannung kann den Emissionswinkel θ_a in einem breiten Bereich und zu einem gewünschten Winkel ändern. Als Ergebnis kann der erste Bereich A1 in einem breiten Bereich eingestellt werden. Ferner weist der photonische Kristall auf der Basis des elektrooptischen Kristallsubstrats den folgenden Vorteil gegenüber einem photonischen Kristall auf der Basis eines Halbleiters (z.B. eines einkristallinen Siliziums) auf. Der photonische Kristall, der aus dem Halbleiter ausgebildet ist, weist einen geringen elektrooptischen Effekt auf und somit wird dessen Brechungsindex kaum verändert, selbst wenn eine Spannung daran angelegt wird. Demgemäß besteht dann, wenn ein Versuch zum Ändern eines Emissionswinkels in einer ersten Lichtablenkungseinrichtung unter Verwendung eines solchen photonischen Kristalls unternommen wird, ein Bedarf zum Ändern der Wellenlänge von eintretendem Licht oder zum Erwärmen der Einrichtung zum Ändern von deren Brechungsindex. Als Ergebnis ist dann, wenn die Wellenlänge geändert wird, eine Mehrzahl von Lichtquellen mit verschiedenen Wellenlängen oder eine Lichtquelle mit mehreren Wellenlängen erforderlich. Folglich nehmen die Kosten für die Einrichtung zu und eine Beschränkung bezüglich ihrer Gestaltung wird größer. Ferner ist es schwierig, die Wellenlänge einer Lichtquelle kontinuierlich zu ändern, und folglich 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 dann, wenn das Erwärmen durchgeführt wird, schwierig, die Temperaturverteilung des photonischen Kristallabschnitts zu vereinheitlichen und zu bewirken, dass die Einrichtung schnell anspricht. Darüber hinaus erfordert eine Temperatursteuerung bzw. -einstellung, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert, einen externen Schaltkreis, der einen Sensor umfasst, und somit werden steigende Kosten ein Problem. Ferner ist eine Änderung des äquivalenten Brechungsindex mit 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 eine Spannung, die zwischen den Elektroden angelegt werden soll, lediglich geändert werden und die Spannung kann kontinuierlich geändert werden. Demgemäß kann eine erste Lichtablenkungseinrichtung erhalten werden, die bei niedrigen Kosten erhältlich ist, mit einer geringen Einschränkung gestaltet werden kann und einen Emissionswinkel in einem breiten Bereich und zu einem gewünschten Winkel ändern kann.
Wie es in 2A und 3A gezeigt ist, werden die emittierten Lichtstrahlen (Laserlicht), die von der ersten Lichtablenkungseinrichtung (im Wesentlichen dem Lichtwellenleiter) über den vorstehend genannten Mechanismus emittiert worden sind, sogenannte Fächerstrahlen, die in der Draufsicht Linienformen sind (Linienformen in einer Richtung senkrecht zu einer Lichtwellenleiterrichtung) und eine Fächerform aufweisen, wenn sie von der Lichtwellenleiterrichtung betrachtet werden. Der Winkel ϕ des Fächers (Öffnungswinkel ϕ der Fächerstrahlen) beträgt vorzugsweise 10° oder mehr, mehr bevorzugt 20° oder mehr, noch mehr bevorzugt 30° oder mehr, besonders bevorzugt 50° oder mehr. Der Öffnungswinkel ϕ der Fächerstrahlen kann beispielsweise 120° oder weniger betragen. Der Öffnungswinkel ϕ der Fächerstrahlen kann durch Einstellen der Breite des Lichtwellenleiters eingestellt werden. Mit anderen Worten vergrößert wie in einer Beziehung zwischen einem Nahfeld und einem Fernfeld das Vermindern der Breite des Lichtwellenleiters die Erweiterung und kann somit den Öffnungswinkel vergrößern. Darüber hinaus kann im Gegensatz dazu das Vergrößern der Breite des Lichtwellenleiters den Öffnungswinkel vermindern. Wenn der Öffnungswinkel innerhalb solcher Bereiche liegt, kann eine erste Lichtablenkungseinrichtung mit einer ganz hervorragenden Abtasteffizienz durch einen synergistischen Effekt mit dem folgenden Effekt erhalten werden: Der Emissionswinkel kann in einem breiten Bereich geändert werden. D.h., der erste Bereich A1 kann in einem breiten Bereich eingestellt werden. Insbesondere musste ein optisches Abtastelement für LiDAR einen Sichtwinkel von 100° oder mehr in einer horizontalen Richtung und einen Sichtwinkel von 25° oder mehr in einer vertikalen Richtung aufweisen. Zum Erfüllen des Erfordernisses kann der Öffnungswinkel der Fächerstrahlen (in der vertikalen Richtung) in der vorstehend beschriebenen Weise eingestellt werden. Darüber hinaus beträgt der variable Bereich α des Emissionswinkels vorzugsweise ±40° oder mehr, mehr bevorzugt ±60° oder mehr. Der variable Bereich α des Emissionswinkels kann beispielsweise ±70° oder weniger betragen. Wie es vorstehend beschrieben ist, kann der Emissionswinkel gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in einem Bereich geändert werden, der viel breiter als jemals zuvor ist. Als Ergebnis kann der erste Bereich A1 in einem extrem breiten Bereich eingestellt werden. In dieser Beschreibung steht das Zeichen „+“ des Emissionswinkels für eine Ausgangsseite in Bezug auf die vorstehend genannte Referenzoberfläche und das Zeichen „-“ desselben steht für eine Eingangsseite in Bezug auf die Referenzoberfläche.
B-3. Photonische Kristallschicht
B-3-1. Elektrooptisches Kristallsubstrat
Das elektrooptische Kristallsubstrat 10 umfasst eine obere Oberfläche, die zur Außenseite freiliegt, und eine untere Oberfläche, die in einem Verbundsubstrat angeordnet ist. Das elektrooptische Kristallsubstrat 10 umfasst den Kristall aus einem Material mit einem elektrooptischen Effekt. Insbesondere kann das Anlegen einer Spannung (elektrischen Felds) an das elektrooptische Kristallsubstrat 10 dessen Brechungsindex ändern. Demgemäß kann der folgende Vorteil verglichen mit einem Fall erhalten werden, bei dem ein Halbleitermaterial (z.B. ein einkristallines Silizium) verwendet wird. Wenn 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: Lichtquellen mit einer Mehrzahl von Wellenlängen sind erforderlich; und eine Signalverarbeitung wird durch unabhängiges Erfassen 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 Kühlen des photonischen Kristallabschnitts erforderlich, um dessen Temperatur auf einen gewünschten Wert einzustellen und deren Verteilung in der Ebene zu vereinheitlichen, und somit ist es schwierig, die Ansprechgeschwindigkeit zu erhöhen. Darüber hinaus erfordert eine Temperatursteuerung bzw. -einstellung, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert, einen externen Schaltkreis, der einen Sensor umfasst, und somit werden steigende Kosten ein Problem. Ferner ist eine Änderung des äquivalenten Brechungsindex mit einer Temperaturänderung relativ gering. Im Gegensatz dazu kann, wenn das elektrooptische Kristallsubstrat verwendet wird, wie es vorstehend beschrieben ist, das Anlegen einer Spannung (elektrisches Feld) daran den äquivalenten Brechungsindex ändern. Eine Differenz beim äquivalenten Brechungsindex von Licht, das sich in einem Lichtwellenleiter ausbreitet, der in dem photonischen Kristall angeordnet ist, ist in der 7 gezeigt. In der 7 sind Berechnungsergebnisse gezeigt, wenn Lithiumniobat als das elektrooptische Kristallsubstrat verwendet wird und dessen Lochperiode und Lochradius auf 425 nm bzw. 144,5 nm eingestellt sind. Wie es in der 7 gezeigt ist, wird die äquivalente Brechungsindexdifferenz bei längeren Wellenlängen in einem photonischen Band größer. Dabei steht der Ausdruck „längere Wellenlängen“ für Wellenlängen, die länger sind als die zentrale Wellenlänge des photonischen Bands oder für Wellenlängen, die länger sind als die Wellenlänge einer photonisches Band-Einschränkungsmode. Darüber hinaus wird in dem Bereich auch die Wellenlängenabhängigkeit der äquivalenten Brechungsindexdifferenz größer. Wenn eine Spannung an ein elektrooptisches Kristallsubstrat angelegt wird, kann auch die äquivalente Brechungsindexdifferenz zusammen mit einer Änderung von dessen Brechungsindex durch den elektrooptischen Effekt größer werden. Eine äquivalente Brechungsindexdifferenz ΔN_eff in der 7 ist durch die nachstehend angegebene 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 8 ist ein Graph zur Darstellung von Beziehungen zwischen einem angelegten elektrischen Feld und der äquivalenten Brechungsindexdifferenz bei spezifischen Wellenlängen, wobei der Graph aus den Berechnungsergebnissen von 7 erhalten worden ist. Wie es in der 8 gezeigt ist, ist in einem Bereich, bei dem eine Wellenlänge λ kurz ist, eine Änderung der äquivalenten Brechungsindexdifferenz mit dem elektrischen Feld gering, wie dies in einer Lichtwellenleiter-Beugungsvorrichtung der Fall ist, bei der kein elektrooptisches Kristallsubstrat verwendet wird. Ferner kann in einem Endbereich eines photonischen Bands, wo die Wellenlänge λ lang ist, die Änderung der äquivalenten Brechungsindexdifferenz mit dem elektrischen Feld groß sein. Folglich kann der photonische Kristall, der das elektrooptische Kristallsubstrat nutzt, die äquivalente Brechungsindexdifferenz durch Anlegen einer Spannung vergrößern (den äquivalenten Brechungsindex stark verändern), und kann somit den Emissionswinkel von gebeugtem Licht entsprechend der Änderung stark ändern.
In einer Ausführungsform kann eine c-Achse des elektrooptischen Kristallsubstrats 10 parallel zu dem elektrooptischen Kristallsubstrat 10 sein. D.h., das elektrooptische Kristallsubstrat 10 kann ein X-geschnittenes Substrat oder ein Y-geschnittenes Substrat sein. In einer weiteren Ausführungsform kann die c-Achse des elektrooptischen Kristallsubstrats 10 senkrecht zu dem elektrooptischen Kristallsubstrat 10 sein. D.h., das elektrooptische Kristallsubstrat 10 kann ein Z-geschnittenes Substrat sein. Die Dicke des elektrooptischen Kristallsubstrats 10 kann abhängig von der Frequenz und der Wellenlänge einer zu verwendenden elektromagnetischen Welle auf jedwede geeignete Dicke eingestellt werden. Die Dicke des elektrooptischen 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 ist, in der ersten Lichtablenkungseinrichtung das elektrooptische Kristallsubstrat mit dem Trägersubstrat integriert und wird somit durch das Trägersubstrat verstärkt. Demgemäß kann die Dicke des elektrooptischen Kristallsubstrats vermindert werden. Als Ergebnis kann sich Licht mit einer Wellenlänge, die für die erste Lichtablenkungseinrichtung geeignet ist, in dem Lichtwellenleiter in einer Einzelmode ausbreiten und/oder die Effizienz, mit der das Licht mit dem Beugungsgitter gekoppelt wird, kann einfach verbessert werden.
Als Material zur Bildung des elektrooptischen Kristallsubstrats 10 kann jedwedes geeignete Material verwendet werden, solange die Effekte, die in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erreicht werden, erhalten werden können. Ein solches Material ist typischerweise ein dielektrisches Material (beispielsweise eine Keramik). 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 ein Kristall davon, der eine stöchiometrische Zusammensetzung aufweist, zum Verhindern einer optischen Schädigung verwendet werden.
B-3-2. Photonische Kristallschicht
Wie es vorstehend beschrieben ist, wird die photonische Kristallschicht 10 durch periodisches Bilden der Löcher 12 in dem elektrooptischen Kristallsubstrat erhalten. Ein photonischer Kristall zum Bilden 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 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 für ein vorgegebenes Licht ein verbotenes Band (photonische Bandlücke) darstellen. Ein photonischer Kristall mit einem verbotenen Band wirkt als ein Gegenstand, der Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge weder reflektiert noch durchlässt. Das Einführen eines Liniendefekts, der die Periodizität in dem photonischen Kristall mit einer photonischen Bandlücke stört, führt zur Bildung einer Wellenleitermode in dem Frequenzbereich der Bandlücke und kann somit einen Lichtwellenleiter bilden, in dem sich Licht mit einem geringen Verlust ausbreitet.
Der photonische Kristall des gezeigten Beispiels ist eine sogenannte zweidimensionale photonische Kristallplatte. Die zweidimensionale photonische Kristallplatte bezieht sich auf einen photonischen Kristall, der erhalten wird durch: Anordnen, auf einer dünnen Platte, die aus einem dielektrischen Material hergestellt ist (in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das elektrooptische Kristallsubstrat), von kreisförmigsäulenförmigen oder polygonal-säulenförmigen Säulen mit niedrigem Brechungsindex, die jeweils einen Brechungsindex aufweisen, der niedriger ist als der Brechungsindex des Materials zur Bildung der dünnen Platte, bei geeigneten zweidimensionalen periodischen Intervallen gemäß den Zwecken und einer gewünschten photonischen Bandlücke; und Anordnen des oberen und unteren Abschnitts der dünnen Platte zwischen einem oberen Mantel und einem unteren Mantel, die jeweils einen Brechungsindex aufweisen, der niedriger ist als derjenige der dünnen Platte. In dem gezeigten Beispiel können die Löcher 12 als die Säulen mit niedrigem Brechungsindex wirken, ein Abschnitt 14 zwischen den Löchern 12 und 12 des elektrooptischen Kristallsubstrats 10 kann als Abschnitt mit hohem Brechungsindex wirken, der Hohlraum 80 kann als der untere Mantel wirken und ein oberer Luftabschnitt kann als der obere Mantel wirken. Ein Abschnitt in dem elektrooptischen Kristallsubstrat 10, bei dem die periodische Struktur der Löcher 12 nicht ausgebildet ist, dient als Liniendefekt und der Liniendefektabschnitt bildet einen Lichtwellenleiter 16.
Wie es vorstehend beschrieben ist, können die Löcher 12 als periodische Struktur ausgebildet sein. Die Löcher 12 sind typischerweise so angeordnet, dass sie regelmäßige Gitter bilden. Als die Form von jedem der Gitter kann jedwede geeignete Form 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 jedes 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 ist, können die Durchgangslöcher 12 durch Säulen mit niedrigem Brechungsindex ersetzt werden (säulenförmige Abschnitte, die jeweils ein Material mit niedrigem Brechungsindex umfassen). Die Durchgangslöcher können jedoch einfacher gebildet werden und die Durchgangslöcher umfassen jeweils Luft mit dem niedrigsten Brechungsindex. Demgemäß kann die Differenz des Brechungsindex zwischen jedem der Durchgangslöcher und dem Lichtwellenleiter größer gemacht werden. Darüber hinaus kann sich ein Teil der Lochdurchmesser von den anderen Lochdurchmessern unterscheiden und ein Teil der Lochperioden kann sich ebenfalls von den 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 äquivalente Brechungsindexdifferenz, die durch das Anlegen einer Spannung verursacht wird, vergrößert werden.
Die Gitterstruktur der Löcher kann gemäß den Zwecken und einer gewünschten photonischen Bandlücke in einer geeigneten Weise eingestellt werden. In dem gezeigten Beispiel bilden die Löcher, die jeweils einen Durchmesser „d“ aufweisen, quadratische Gitter mit einer Periode P. Obwohl in dem gezeigten Beispiel die quadratischen Gitter ausgebildet sind, können, wenn die Durchmesser, die Periode und dergleichen der Löcher in einer geeigneten Weise eingestellt sind, sogar dreieckige Gitter den gleichen Betrieb, die gleiche Funktion und den gleichen Effekt bereitstellen. Die quadratischen Gitterstrukturen sind auf beiden Seiten der photonischen Kristallschicht ausgebildet und der Lichtwellenleiter 16 ist in dem zentralen Abschnitt davon ausgebildet, bei dem 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 das elektrooptische Kristallsubstrat umfasst, und einem vorgegebene Beugungsgitter die Länge des Lichtwellenleiters extrem vermindern. Als Ergebnis kann die erste Lichtablenkungseinrichtung (als Ergebnis das optische Abtastelement) verkleinert werden. Die Breite des Lichtwellenleiters 16 kann beispielsweise von 1,01P bis 3P (2P in dem gezeigten Beispiel) 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 (4 in dem gezeigten Beispiel) auf jeder Seite des Lichtwellenleiters betragen. Die Lochperiode P kann beispielsweise die nachstehend angegebene Beziehung erfüllen: $(1 / 7) \times (λ / n) \leq P \leq 1,4 \times (λ / n)$
wobei λ die Wellenlänge (nm) des Lichts darstellt, das in den Lichtwellenleiter eingeführt werden soll, und „n“ den Brechungsindex des elektrooptischen Kristallsubstrats darstellt. Die Lochperiode P kann spezifisch von 0,1 µm bis 1 µm betragen. In einer Ausführungsform kann die Lochperiode P mit der Dicke der photonischen Kristallschicht (des elektrooptischen Kristallsubstrats) identisch sein. Der Durchmesser „d“ jedes der Löcher kann beispielsweise von 0,1 P bis 0,9P bezogen auf die Lochperiode P betragen. Wenn der Durchmesser „d“ jedes 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 elektrooptischen Kristallsubstrats, die Breite des Liniendefektabschnitts, 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 elektrooptischen Kristallsubstrat) 10 gebildet werden. Die Bildung des Durchgangslochs zum Ätzen ermöglicht es einem Ätzmittel, in einer zufriedenstellenden Weise einen gesamten zu ätzenden Bereich zu durchdringen. Als Ergebnis kann ein gewünschter Hohlraum präziser gebildet werden. Die Anzahl der Durchgangslöcher zum Ätzen kann gemäß den Zwecken 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 gebildet, die von dem Lichtwellenleiter um 3 oder mehr Gitterreihen entfernt ist. Ein solcher Aufbau ermöglicht es dem Ätzmittel, in zufriedenstellender Weise den gesamten zu ätzenden Bereich zu durchdringen, ohne die photonische Bandlücke des photonischen Kristalls in nachteiliger Weise zu beeinflussen. Das Durchgangsloch zum Ätzen kann beispielsweise auch auf der Seite des Eingangsabschnitts und/oder der Seite des Ausgangsabschnitts (d.h., eines Eckabschnitts der photonischen Kristallschicht) des Endabschnitts der Gitterstruktur gegenüber dem Lichtwellenleiter ausgebildet werden. Ein solcher Aufbau kann nachteilige Effekte auf die photonische Bandlücke zufriedenstellender verhindern. Beispielsweise wenn vier Durchgangslöcher zum Ätzen gebildet werden, können die Durchgangslöcher an den vier Ecken der photonischen Kristallschicht gebildet werden. Die Größe des Durchgangslochs zum Ätzen ist typischerweise größer als die Größe jedes der Löcher 12. Beispielsweise ist der Durchmesser des Durchgangslochs zum Ätzen vorzugsweise 5 Mal oder mehr, mehr bevorzugt 50 Mal oder mehr, noch mehr bevorzugt 100 Mal oder mehr so groß wie der Durchmesser „d“ jedes der Löcher. Ferner ist der Durchmesser des Durchgangslochs zum Ätzen vorzugsweise 1000 Mal oder weniger so groß wie der Durchmesser „d“ jedes der Löcher. Wenn der Durchmesser des Durchgangslochs zum Ätzen übermäßig gering ist, kann das Ätzmittel gegebenenfalls den gesamten zu ätzenden Bereich nicht zufriedenstellend durchdringen. 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 dessen mechanische Festigkeit vermindert werden.
B-4. Verbindungsabschnitt
Der Verbindungsabschnitt 20 ist zwischen dem elektrooptischen Kristallsubstrat 10 und dem Trägersubstrat 30 angeordnet, um die Substrate miteinander zu integrieren. Typischerweise sind, wie es in jeder von 2A und 2B und 3A und 3B gezeigt ist, die obere Schicht 21 und die untere Schicht 22 des Verbindungsabschnitts 20 direkt miteinander verbunden, so dass das elektrooptische Kristallsubstrat 10 und das Trägersubstrat 30 miteinander integriert werden. Wenn das elektrooptische Kristallsubstrat 10 und das Trägersubstrat 30 durch das direkte Verbinden miteinander integriert sind, kann ein Ablösen in der ersten Lichtablenkungseinrichtung zufriedenstellend verhindert werden, und als Ergebnis kann eine Schädigung des elektrooptischen Kristallsubstrats (z.B. ein Riss), die aus einem solchen Ablösen resultiert, zufriedenstellend verhindert werden. Der Verbindungsabschnitt 20 wird als Ätzrestabschnitt bei der Bildung der Löcher 12 und des Hohlraums 80 gebildet. Eine amorphe Schicht 23 wird typischerweise an einer Verbindungsgrenzfläche zwischen der oberen Schicht 21 und der unteren Schicht 22 gebildet. 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 die Bezeichnung sagt, 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 sind, wie es vorstehend beschrieben ist, kann die amorphe Schicht 23 an der Verbindungsgrenzfläche zwischen der oberen Schicht 21 und der unteren Schicht 22 gebildet werden. D.h., wenn die obere Schicht 21 und die untere Schicht 22 direkt miteinander verbunden sind, kann ein direktes Verbinden des elektrooptischen Kristallsubstrats und des Trägersubstrats vermieden werden, und somit kann die Bildung der amorphen Schicht auf dem elektrooptischen Kristallsubstrat verhindert werden. Als Ergebnis können Verschlechterungen der optischen Eigenschaften des elektrooptischen Kristallsubstrats oder von dessen optischen Verlust verhindert 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 vom 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 Bestandteilen (Schichten oder Substraten), die verbunden werden sollen, angewandt. Als Ergebnis wird jede Verbindungsoberfläche aktiviert. Dann werden in einer Vakuumatmosphäre die aktivierten Verbindungsoberflächen miteinander in Kontakt gebracht und bei Normaltemperatur miteinander verbunden. Die 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, der durch das Inertgas bewirkt wird, wird erzeugt. Von den Strahlen, die ein Gitter erreicht haben, wird ein lonenstrahl durch das Gitter neutralisiert, und somit wird der Strahl von neutralen Atomen von einer Hochgeschwindigkeits-Atomstrahlquelle emittiert. Eine Atomspezies zur Bildung des Strahls ist vorzugsweise ein Inertgaselement (z.B. Argon (Ar) oder Stickstoff (N)). Die Spannung bei der Aktivierung durch die Bestrahlung mit dem Strahl beträgt beispielsweise von 0,5 kV bis 2,0 kV und der elektrische Strom beträgt beispielsweise von 50 mA bis 200 mA. Das Verfahren für das direkte Verbinden ist nicht darauf beschränkt und ein Oberflächenaktivierungsverfahren, einschließlich die Verwendung eines schnellen Atomstrahls (FAB) oder einer lonenkanone, ein Atomdiffusionsverfahren, ein Plasmaverbindungsverfahren oder dergleichen, kann ebenfalls eingesetzt werden.
Für jede der oberen Schicht 21 und der unteren Schicht 22 kann gemäß den Zwecken, dem gewünschten Aufbau der photonischen Kristallschicht und eines Verfahrens zur Herstellung der ersten Lichtablenkungseinrichtung oder des optischen Abtastelements (im Wesentlichen eines Ätzverfahrens) jedweder geeignete Aufbau eingesetzt werden. Insbesondere kann jede der oberen Schicht 21 und der unteren Schicht 22 eine Einzelschicht sein oder 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 gemäß den Zwecken, dem gewünschten Aufbau der photonischen Kristallschicht und dem Ätzverfahren in einer geeigneten Weise ausgewählt werden.
B-5. Hohlraum
Wie es vorstehend beschrieben 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 ein 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. 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 verteilen. Demgemäß kann die Anordnung des Hohlraums direkt unterhalb einer solchen Gitterreihe einen Ausbreitungsverlust aufgrund eines Lichtaustritts verhindern. Diesbezüglich kann der Hohlraum auf dem gesamten Bereich eines Abschnitts mit ausgebildeten Löchern ausgebildet sein. 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. Eine solche Höhe bewirkt, dass eine dünne Platte als photonischer Kristall wirkt und somit einen Lichtwellenleiter mit einer höheren Wellenlängenselektivität und einem geringeren Verlust bereitstellen kann. Die Höhe des Hohlraums kann durch Einstellen der Dicken der oberen Schicht 21 und der unteren Schicht 22 eingestellt werden.
B-6. Trägersubstrat
Das Trägersubstrat 30 umfasst eine obere Oberfläche, die in dem Verbundsubstrat angeordnet 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 elektrooptischen Kristallsubstrats vermindert werden. Als das Trägersubstrat 30 kann jedweder geeignete Aufbau eingesetzt werden. Spezifische Beispiele für ein Material 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, Kristall, Galliumnitrid (GaN), Siliziumcarbid (SiC) und Galliumoxid (Ga₂O₃). Der lineare Ausdehnungskoeffizient des Materials zur Bildung des Trägersubstrats 30 liegt vorzugsweise so nahe wie möglich an dem linearen Ausdehnungskoeffizienten des Materials zur Bildung des elektrooptischen Kristallsubstrats 10. Ein solcher Aufbau kann die thermische Verformung (typischerweise einen Verzug) des Verbundsubstrats verhindern. 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 elektrooptischen Kristallsubstrats 10. Diesbezüglich kann das Trägersubstrat das gleiche Material wie dasjenige des elektrooptischen Kristallsubstrats 10 umfassen.
B-7. Beugungsgitter
Wie es vorstehend beschrieben ist, ist das Beugungsgitter 50 des gezeigten Beispiels in der Draufsicht eine Gitterstruktur in der Richtung senkrecht zu der Lichtwellenleiterrichtung, und in einem Abschnitt entlang der Lichtwellenleiterrichtung 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 2 Mal 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 ist 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 Differenz des effektiven Brechungsindex, die sich aus der Unebenheit des Beugungsgitters ergibt, periodisch reflektiert und somit kann ein Beugungseffekt bereitgestellt werden.
Das Beugungsgitter (im Wesentlichen die vorragenden Abschnitte) können jedwedes geeignete Material umfassen, solange das gewünschte emittierte Licht erhalten wird. Das Material zur Bildung des Beugungsgitters ist typischerweise beispielsweise ein Metalloxid. Spezifische Beispiele dafür umfassen Tantaloxid, Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Titanoxid, Nioboxid, Magnesiumoxid, Wolframoxid und Hafniumoxid. Darüber hinaus kann das Beugungsgitter direkt auf dem elektrooptischen Kristallsubstrat gebildet werden.
B-8. Mantelschicht
Die Mantelschicht 60 ist eine optionale Schicht, die zum Zweck des Verhinderns der Absorption von geleitetem Licht durch die Elektroden und/oder zum Verbessern des Koppelns des geleiteten Lichts mit dem Beugungsgitter verwendet wird. Die Mantelschicht kann jedwedes geeignete Material umfassen. Spezifische Beispiele dafür umfassen Siliziumoxid, Tantaloxid, Aluminiumoxid, Titanoxid, Nioboxid, Magnesiumoxid, Wolframoxid und Hafniumoxid. Die Mantelschicht kann aus dem gleichen Material wie dasjenige des Beugungsgitters ausgebildet sein. Die Dicke der Mantelschicht kann beispielsweise von 0,1 µm bis 1 µm betragen.
B-9. Sonstiges
Obwohl der Aufbau, bei dem der photonische Kristall und das Beugungsgitter miteinander kombiniert sind, als typisches Beispiel für die erste Lichtablenkungseinrichtung beschrieben worden ist, wie es im Abschnitt A beschrieben ist, kann jedweder geeignete Aufbau als die erste Lichtablenkungseinrichtung eingesetzt werden, solange sich der Brechungsindex des Aufbaus durch eine Änderung der angelegten Spannung ändert und der erste Bereich durch die Änderung des Brechungsindex eingestellt werden kann. Beispielsweise kann, wie es im Abschnitt A beschrieben ist, die erste Lichtablenkungseinrichtung ein phasengesteuertes optisches Feld oder eine variable optische Metaoberfläche sein. Für einen Fachmann ist es offensichtlich, dass jedes des Felds und der Metaoberfläche Fächerstrahlen emittieren kann, wie dies bei dem Aufbau der Fall ist, bei dem der photonische Kristall und das Beugungsgitter miteinander kombiniert sind, und somit wird der gleiche Effekt über den gleichen Mechanismus wie bei dem Aufbau erhalten, bei dem der photonische Kristall und das Beugungsgitter miteinander kombiniert sind.
C. Zweite Lichtablenkungseinrichtung
Wie es vorstehend beschrieben ist, kann die zweite Lichtablenkungseinrichtung typischerweise ein Beugungsgitter sein. Jedweder geeignete Aufbau kann als das Beugungsgitter verwendet werden, solange die Effekte gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhalten werden. Der Grundaufbau des Beugungsgitters ist beispielsweise der Aufbau, der in jedem des Abschnitts B-2 und des Abschnitts B-7 für das Beugungsgitter in der ersten Lichtablenkungseinrichtung beschrieben ist. Ein charakteristischer Abschnitt der zweiten Lichtablenkungseinrichtung ist nachstehend beschrieben.
Zusätzlich zu den Materialien, die im Abschnitt B-7 beschrieben sind, kann Glas als Material zur Bildung des Beugungsgitters verwendet werden. Beispielsweise können Gitterrillen in einer Glasplatte durch Ätzen gebildet werden.
Die Richtung, in der sich die Gitterrillen des Beugungsgitters erstrecken, kann eine Richtung im Wesentlichen parallel zu der Lichtwellenleiterrichtung sein oder kann eine Richtung im Wesentlichen senkrecht dazu sein. In dem Fall, bei dem der erste Bereich A1 eine längliche Form entlang der Lichtwellenleiterrichtung aufweist, wie es in der 2A gezeigt ist (z.B. in dem Fall, bei dem der Öffnungswinkel ϕ der Fächerstrahlen 30° beträgt und der variable Bereich α des Emissionswinkels der Fächerstrahlen 120° = ±60° beträgt), kann, wenn die Richtung, in der sich die Gitterrillen des Beugungsgitters erstrecken, auf die Richtung im Wesentlichen parallel zu der Lichtwellenleiterrichtung eingestellt ist, wie es in der 2B gezeigt ist, der zweite Bereich A2 verglichen mit dem ersten Bereich A1 in der Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Lichtwellenleiterrichtung erweitert werden. Beispielsweise ist in dem Beispiel, das in der 2B gezeigt ist, der Öffnungswinkel ϕ der Fächerstrahlen im Wesentlichen um einen Faktor von etwa 3 in der Richtung senkrecht zu der Lichtwellenleiterrichtung erweitert. In diesem Fall sind die Richtung, in der sich die Gitterrillen des Beugungsgitters in der ersten Lichtablenkungseinrichtung erstrecken, und die Richtung, in der sich die Gitterrillen des Beugungsgitters, das als die zweite Lichtablenkungseinrichtung dient, erstrecken, im Wesentlichen senkrecht zueinander. In dem Fall, bei dem der erste Bereich A1 eine längliche Form entlang der Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Lichtwellenleiterrichtung aufweist, wie es in der 3A gezeigt ist (z.B. in dem Fall, bei dem der Öffnungswinkel ϕ der Fächerstrahlen 60° beträgt und der variable Bereich α des Emissionswinkels der Fächerstrahlen 40° = ±20° beträgt), kann, wenn die Richtung, in der sich die Gitterrillen des Beugungsgitters erstrecken, auf die Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Lichtwellenleiterrichtung eingestellt wird, wie es in der 3B gezeigt ist, sich der zweite Bereich A2 in der Lichtwellenleiterrichtung verglichen mit dem ersten Bereich A1 erweitern. Beispielsweise ist in dem Beispiel, das in der 3B gezeigt ist, der variable Bereich α des Emissionswinkels der Fächerstrahlen im Wesentlichen um einen Faktor von etwa 3 in der Lichtwellenleiterrichtung erweitert. In diesem Fall sind die Richtung, in der sich die Gitterrillen des Beugungsgitters in der ersten Lichtablenkungseinrichtung erstrecken, und die Richtung, in der sich die Gitterrillen des Beugungsgitters, das als die zweite Lichtablenkungseinrichtung dient, erstrecken, im Wesentlichen parallel zueinander. Wenn die Richtung, in der sich die Gitterrillen des Beugungsgitters erstrecken, in einer geeigneten Weise eingestellt ist, wie es vorstehend beschrieben ist, kann die Richtung eingestellt werden, in welcher der zweite Bereich A2 bezogen auf den ersten Bereich A1 erweitert ist. Ferner kann, wenn der Abstand, die Beugungsordnung und der Beugungswinkel des Beugungsgitters sowie die Wellenlänge des eintretenden Lichts in einer Kombination eingestellt sind, das Ausmaß, mit dem der zweite Bereich A2 bezogen auf den ersten Bereich A1 erweitert ist, eingestellt werden.
D. Verfahren zur Herstellung des optischen Abtastelements
Ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung des optischen Abtastelements wird unter Bezugnahme auf 9(a) bis 9(e) beschrieben. In dem gezeigten Beispiel ist die obere Schicht 21 eine Schicht zum Verhindern eines optischen Verlusts und die untere Schicht 22 ist eine Hohlraumverarbeitungsschicht. Die Schicht zum Verhindern eines optischen Verlusts 21 kann zum Verhindern des optischen Verlusts des elektrooptischen Kristallsubstrats durch Verhindern der Bildung der amorphen Schicht auf dem elektrooptischen Kristallsubstrat beim direkten Verbinden der oberen und der unteren Schicht angeordnet sein. Die Hohlraumverarbeitungsschicht 22 ist nicht nur zum Bilden eines Hohlraums in dem optischen Abtastelement, sondern auch zum Stoppen eines Ätzens (typischerweise eines Trockenätzens) bei einem geeigneten Niveau ausgebildet.
Zuerst wird, wie es in der 9(a) gezeigt ist, ein Verbundsubstrat hergestellt. Ein Herstellungsverfahren für das Verbundsubstrat ist wie folgt. Die Schicht zum Verhindern eines optischen Verlusts 21 wird auf dem elektrooptischen Kristallsubstrat 10 beispielsweise durch Sputtern gebildet. Ferner wird die Hohlraumverarbeitungsschicht 22 auf dem Trägersubstrat 30 beispielsweise durch Sputtern gebildet. Das Laminat aus dem elektrooptischen Kristallsubstrat 10 und der Schicht zum Verhindern eines optischen Verlusts 21 und das Laminat aus dem Trägersubstrat 30 und der Hohlraumverarbeitungsschicht 22 werden unter Verwendung der Schicht zum Verhindern eines optischen Verlusts 21 und der Hohlraumverarbeitungsschicht 22 als Verbindungsoberflächen direkt miteinander verbunden. Das direkte Verbinden kann die amorphe Schicht 23 an der Verbindungsgrenzfläche zwischen der Schicht zum Verhindern eines optischen Verlusts 21 und der Hohlraumverarbeitungsschicht 22 bilden. Folglich kann das Verbundsubstrat erhalten werden, bei dem das elektrooptische Kristallsubstrat 10 und das Trägersubstrat 30 miteinander integriert sind. Als nächstes werden die Elektroden 40 und 40 in den linken und rechten Endabschnitten des elektrooptischen Kristallsubstrats 10 verbunden und das Beugungsgitter 50 wird an der Position gebildet, bei welcher der Lichtwellenleiter ausgebildet werden soll. Die Elektroden 40 und 40 können typischerweise durch 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 Wellenleitrichtung 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 9(b) gezeigt ist, die Löcher 12 in dem elektrooptischen Kristallsubstrat 10, der Schicht zum Verhindern 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 9(c) gezeigt ist, der vorgegebene Abschnitt der Hohlraumverarbeitungsschicht 22 durch Nassätzen (z.B. Eintauchen in ein Ätzmittel) entfernt. Als nächstes werden, wie es in der 9(d) gezeigt ist, die verbliebene Schicht zum Verhindern 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 die erste Lichtablenkungseinrichtung 100 erhalten.
Schließlich wird, wenn die zweite Lichtablenkungseinrichtung 200 in dem oberen Abschnitt des Beugungsgitters 50 der resultierenden ersten Lichtablenkungseinrichtung 100 angeordnet wird, wie es in der 9(e) gezeigt ist, das optische Abtastelement 300 erhalten. Die zweite Lichtablenkungseinrichtung 200 kann durch jedwedes geeignete Verfahren angeordnet werden. Beispielsweise kann die zweite Lichtablenkungseinrichtung 200 durch Bilden von deren Gitterrillen in einer Glasplatte durch Trockenätzen (z.B. reaktives lonenätzen) durch eine vorgegebene Maske (z.B. eine Metallmaske, die aus Al oder dergleichen ausgebildet ist) hergestellt werden. Die Anordnung der resultierenden zweiten Lichtablenkungseinrichtung 200 in dem oberen Abschnitt des Beugungsgitters 50 der ersten Lichtablenkungseinrichtung 100 stellt das optische Abtastelement 300 bereit. Beispiele für das Verfahren des Anordnens der zweiten Lichtablenkungseinrichtung 200 umfassen ein Montieren, ein Verbinden mit einem Haftmittel, das frei von jedwedem nachteiligen optischen Effekt ist, und ein mechanisches Fixieren. Die zweite Lichtablenkungseinrichtung kann auf der ersten Lichtablenkungseinrichtung mit einer Waferform angeordnet sein oder kann auf der ersten Lichtablenkungseinrichtung mit einer Chipform angeordnet sein.
Auf diese Weise kann das optische Abtastelement 300 hergestellt werden.
Beispiele
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung mittels Beispielen spezifisch beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt.
<Beispiel 1 >
Ein optisches Abtastelement, wie es in jeder von 2A und 2B gezeigt ist, wurde hergestellt. Ein spezifisches Verfahren war derart, wie es nachstehend beschrieben ist.
1. Herstellung einer ersten Lichtablenkungseinrichtung
1-1. Herstellung eines Verbundsubstrats
Ein X-geschnittenes Lithiumniobat-Substrat mit einem Durchmesser von 4 Zoll wurde als elektrooptisches Kristallsubstrat hergestellt und ein Siliziumsubstrat mit einem Durchmesser von 4 Zoll wurde als Trägersubstrat hergestellt. Zuerst wurde amorphes Silizium (a-Si) auf das elektrooptische Kristallsubstrat zur Bildung einer Schicht zum Verhindern 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 jeder der Schicht zum Verhindern eines optischen Verlusts und der Verbindungsschicht einem CMP-Polieren unterzogen, so dass der arithmetische Mittenrauwert Ra der Oberfläche jeder der Schicht zum Verhindern eines optischen Verlusts und der Verbindungsschicht auf 0,3 nm oder weniger eingestellt wurde. Als nächstes wurden die Oberflächen der Schicht zum Verhindern eines optischen Verlusts und der Verbindungsschicht gewaschen und dann wurden die Schicht zum Verhindern eines optischen Verlusts und die Verbindungsschicht direkt miteinander verbunden, so dass das elektrooptische Kristallsubstrat und das Trägersubstrat miteinander integriert wurden. Das direkte Verbinden wurde wie folgt durchgeführt. In einem Vakuum in der Größenordnung von 10^-6 Pa wurden die Verbindungsoberflächen des elektrooptischen Kristallsubstrats und des Trägersubstrats (die Oberflächen der Schicht zum Verhindern eines optischen Verlusts und der Verbindungsschicht) mit neutralen Hochgeschwindigkeits-Ar-Atomstrahlen (Beschleunigungsspannung: 1 kV, Ar-Flussrate: 60 sccm) für 70 Sekunden bestrahlt. Nach dem Bestrahlen wurden das elektrooptische Kristallsubstrat und das Trägersubstrat zum Abkühlen für 10 Minuten stehengelassen und dann wurden die Verbindungsoberflächen des elektrooptischen Kristallsubstrats und des Trägersubstrat miteinander in Kontakt gebracht, worauf bei 4,90 kN für 2 Minuten mit Druck beaufschlagt wurde. Folglich wurden das elektrooptische Kristallsubstrat und das Trägersubstrat miteinander verbunden. Nach dem Verbinden wurde ein Polieren durchgeführt, bis die Dicke des elektrooptischen Kristallsubstrats 0,4 µm betrug. Auf diese Weise wurde ein Verbundsubstrat erhalten. In dem resultierenden Verbundsubstrat wurde an einer Verbindungsgrenzfläche kein Versagen, wie z.B. ein Ablösen, festgestellt.
1-2. Bildung eines Beugungsgitters
Ein Beugungsgitter wurde auf der Oberfläche des elektrooptischen Kristallsubstrats des Verbundsubstrats gebildet, das gemäß dem vorstehend genannten Abschnitt 1-1 erhalten worden ist. Ein spezifisches Verfahren war wie folgt. Zuerst wurde Aluminium (Al) zu einem Film, der als Metallmaske dient, auf der Oberfläche des elektrooptischen Kristallsubstrats ausgebildet, und eine Harzstruktur wurde auf der Metallmaske durch ein Nanoprägeverfahren gebildet. Die Harzstruktur wurde oberhalb des Abschnitts des elektrooptischen Kristallsubstrats, das als Lichtwellenleiter dient, derart ausgebildet, dass sie eine Streifenform aufweist, die sich in einer Richtung senkrecht zu einer Wellenleitrichtung des Lichtwellenleiters erstreckt und eine Periode von 567 nm (Linie/Zwischenraum: 283,5 nm/283,5 nm) und eine Länge von 1000 µm in der Wellenleitrichtung des Lichtwellenleiters aufweist. Als nächstes wurde eine Metallmaske mit einer Beugungsgitterstrukturform durch ein reaktives lonenätzen auf Chlorbasis durch die Verwendung der Harzstruktur als Maske gebildet. Als nächstes wurden Beugungsgitterrillen, die jeweils eine Tiefe von 0,05 µm aufweisen, durch ein reaktives lonenätzen auf Fluorbasis durch die Metallmaske einer Beugungsgitterstrukturform gebildet. Schließlich wurde die Metallmaske mit einem Al-Ätzmittel entfernt. Folglich wurde das Beugungsgitter auf dem Abschnitt des elektrooptischen Kristallsubstrats, das als der Lichtwellenleiter dient, gebildet.
1-3. Bildung von Elektroden
Ein Paar von Elektroden wurde auf der Oberfläche des elektrooptischen Kristallsubstrats des Verbundsubstrats gebildet, das in dem vorstehend genannten Abschnitt 1-2. erhalten worden ist und welches das darauf ausgebildete Beugungsgitter aufwies. Insbesondere wurde ein Photolack auf jeden des linken und des rechten Endabschnitts des elektrooptischen 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.
1-4. Herstellung einer ersten Lichtablenkungseinrichtung
Eine erste Lichtablenkungseinrichtung wurde aus dem Verbundsubstrat hergestellt, das in dem vorstehend genannten Abschnitt 1-3. erhalten worden ist und auf dem das Beugungsgitter und die Elektroden ausgebildet worden sind. Insbesondere wurde die erste Lichtablenkungseinrichtung durch das folgende Verfahren hergestellt. Zuerst wurde Molybdän (Mo) zu einem Film, der als eine Metallmaske dient, auf dem elektrooptischen Kristallsubstrat ausgebildet. Als nächstes wurde eine Harzstruktur mit Löchern in einer vorgegebenen Anordnung auf der Metallmaske durch ein Nanoprägeverfahren gebildet. 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 aufweisen, als Lochstruktur, die den Löchern eines photonischen Kristalls entsprechen, auf jeder der linken Seite und der rechten Seite der Metallmaske ausgebildet. In dem zentralen Abschnitt davon wurde kein Loch gebildet und folglich wurde ein Lichtwellenleiter mit einem Liniendefekt erhalten. Der Abstand zwischen angrenzenden Löchern, die einen Liniendefekt dazwischen umgeben, wurde auf 950 nm eingestellt. Ferner wurden vier Löcher, die jeweils einen Durchmesser von 100 µm aufweisen (eine Struktur von Durchgangslöchern zum Ätzen) in Eckenabschnitten gebildet (den Eingangsabschnittsseiten und Ausgangsabschnittsseiten der Endabschnitte der linken und rechten Gitterreihenabschnitte 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 (Mischflüssigkeit, die Salpetersäure, Essigsäure und Phosphorsäure in einem Mischungsverhältnis von 10:15:1 enthält) gebildet. Als nächstes wurden die Lochstrukturen und die Durchgangslöcher zum Ätzen in dem elektrooptischen Kristallsubstrat, der Schicht zum Verhindern eines optischen Verlusts und der Verbindungsschicht durch reaktives lonenätzen auf Fluorbasis durch die Mo-Maske mit gebildeter 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 Rückstand 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 zum Verhindern eines optischen Verlusts und die Verbindungsschicht geätzt wurden. Folglich wurde ein Wafer der ersten Lichtablenkungseinrichtung hergestellt. Der resultierende Wafer wurde durch Zerteilen zu Chips geschnitten, so dass die erste Lichtablenkungseinrichtung bereitgestellt wurde. Die Lichtwellenleiterlänge von jeder der ersten Lichtablenkungseinrichtung wurde auf 5 mm eingestellt. Nach dem Chipschneiden wurden die eingangsseitige Endoberfläche und die ausgangsseitige Endoberfläche des Lichtwellenleiters einem Polieren der Endoberfläche unterzogen.
1-5. Messung der optischen Einfügungsdämpfung der ersten Lichtablenkungseinrichtung
Die optische Einfügungsdämpfung von jeder resultierenden ersten Lichtablenkungseinrichtung (Chips) wurde gemessen. Insbesondere wurde Laserlicht mit einer Wellenlänge von 1,025 µm in den Chip (im Wesentlichen den 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 ausgegeben worden ist, wurde mit einem Photodetektor gemessen, worauf ein Ausbreitungsverlust gemessen wurde. Der Ausbreitungsverlust des Lichtwellenleiters betrug 0,5 dB/cm.
Ferner wurde eine zwischen den Elektroden anzulegende Spannung zwischen ± 100 V umgeschaltet und die Struktur und der Emissionswinkel des Laserlichts, das von dem Lichtwellenleiter ausgegeben wird, wurden untersucht. Bezüglich der Struktur und des Emissionswinkels des Laserlichts wurden der Winkel eines Fächers und die Emissionswinkelabhängigkeit von der angelegten Spannung mit einem goniophotometrischen Hochgeschwindigkeitsmesssystem (RH50), hergestellt von Otsuka Electronics Co., Ltd., gemessen. Als Ergebnis wies das ausgegebene Laserlicht eine sogenannte Fächerstrahlform auf, die in der Draufsicht eine Linienform war, und wies bei einer Betrachtung von der Lichtwellenleiterrichtung eine Fächerform auf und der Winkel des Fächers (der Öffnungswinkel des Fächers) betrug 30°. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass dann, wenn die angelegte Spannung geändert wurde, der Emissionswinkel von -60° bis +60° bezogen auf die Referenzoberfläche (die Oberfläche, welche die Lichtwellenleiterrichtung als eine Senkrechte umfasst) geändert werden konnte.
Darüber hinaus wurde zum experimentellen Verifizieren des Ansprechverhaltens der ersten Lichtablenkungseinrichtung untersucht, ob die Einrichtung zum Abtasten von Licht bei einer Spannung von ±15 V und 50 MHz in der Lage war. Als Ergebnis konnte festgestellt werden, dass die Einrichtung ein Abtasten problemlos vornehmen konnte. Es kann davon ausgegangen werden, dass die erste Lichtablenkungseinrichtung bei einer Frequenz in der Größenordnung von Gigahertz arbeiten kann, da die Einrichtung im Prinzip vom Ansprechverhalten eines elektrooptischen Effekts abhängt. Der Betrieb der ersten Lichtablenkungseinrichtung kann durch deren Elektrodenstruktur beeinflusst werden.
2. Herstellung eines optischen Abtastelements
2-1. Herstellung einer zweiten Lichtablenkungseinrichtung
Eine zweite Lichtablenkungseinrichtung wurde durch das folgende Verfahren hergestellt. Aluminium (Al) wurde zu einem Film, der als Metallmaske dient, auf einer Oberfläche einer Glasplatte ausgebildet, die Abmessungen von 0,5 mm Dicke mal 3 cm Länge mal 3 cm Breite aufweist, und eine Harzstruktur wurde auf der Oberfläche der Metallmaske durch ein Nanoprägeverfahren gebildet. Die Harzstruktur wurde zu einer Streifenform mit einer Periode von 2 µm in einem Bereich mit Abmessungen von 2 cm mal 2 cm auf der Oberfläche der Glasplatte gebildet. Als nächstes wurde eine Metallmaske mit einer Beugungsgitterstrukturform durch reaktives lonenätzen auf Chlorbasis durch die Verwendung der Harzstruktur als Maske gebildet. Als nächstes wurden Gitterrillen in der Glasplatte durch reaktives lonenätzen auf Fluorbasis durch die Metallmaske gebildet. Schließlich wurde die Metallmaske mit einem Al-Ätzmittel entfernt. Auf diese Weise wurde die zweite Lichtablenkungseinrichtung mit den in einer Streifenstruktur angeordneten Gitterrillen mit einer Periode von 2 µm in der Glasplatte hergestellt.
2-2. Herstellung eines optischen Abtastelements
Die zweite Lichtablenkungseinrichtung, die gemäß dem vorstehend genannten Abschnitt 2-1. erhalten worden ist, wurde in dem oberen Abschnitt des Beugungsgitters der ersten Lichtablenkungseinrichtung angeordnet, die in dem vorstehend genannten Abschnitt 1 erhalten worden ist. Insbesondere wurde die zweite Lichtablenkungseinrichtung (Beugungsgitter) so montiert, dass die Richtung, in der sich die Gitterrillen der zweiten Lichtablenkungseinrichtung erstreckten, im Wesentlichen parallel zu der Lichtwellenleiterrichtung war und somit im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung war, in der sich die Gitterrillen des Beugungsgitters in der ersten Lichtablenkungseinrichtung erstreckten. Eine Distanz zwischen (dem Beugungsgitter) der ersten Lichtablenkungseinrichtung und der zweiten Lichtablenkungseinrichtung wurde auf 5 mm eingestellt. Auf diese Weise wurde ein optisches Abtastelement hergestellt.
2-3. Bewertung der Eigenschaften von emittiertem Licht des optischen Abtastelements
Laserlicht wurde in das resultierende optische Abtastelement in der gleichen Weise wie in dem vorstehend genannten Abschnitt 1-5. eingeführt und die Struktur von emittiertem Licht wurde untersucht. Als Ergebnis wurden vor dem Anlegen einer Spannung gebeugte Lichtstrahlen nullter Ordnung sowie plus und minus erster Ordnung, die jeweils als das emittierte Licht dienen, als Fächerstrahlen festgestellt. Das emittierte Licht (Fächerstrahlen) wies in der Draufsicht eine Linienform auf (eine Linienform in der Richtung senkrecht zu der Lichtwellenleiterrichtung) und war bei einer Betrachtung von der Lichtwellenleiterrichtung eine Fächerform, und der Öffnungswinkel ϕ der Gesamtheit des gebeugten Lichts betrug 120° oder mehr. D.h., es wurde festgestellt, dass das emittierte Licht von dem optischen Abtastelement (im Wesentlichen der zweiten Lichtablenkungseinrichtung) um einen Faktor von 4 oder mehr in der Richtung senkrecht zu der Lichtwellenleiterrichtung erweitert wurde, und zwar verglichen mit dem emittierten Licht von der ersten Lichtablenkungseinrichtung (Öffnungswinkel ϕ = 30°). Als nächstes wurde festgestellt, dass durch das Anlegen einer Spannung im Bereich von ±100 V an das optische Abtastelement das Licht nullter Ordnung und die Lichtstrahlen plus und minus erster Ordnung zusammenwirkten, so dass eine Änderung des Emissionswinkels von -60° bis +60° in Bezug auf die Referenzoberfläche (die Oberfläche, welche die Lichtwellenleiterrichtung als eine Senkrechte umfasst) ermöglicht wurde. D.h., das emittierte Licht von dem optischen Abtastelement (im Wesentlichen der zweiten Lichtablenkungseinrichtung) behielt den gleichen variablen Bereich α des Emissionswinkels bei wie derjenige des emittierten Lichts von der ersten Lichtablenkungseinrichtung. Folglich wurde festgestellt, dass das resultierende optische Abtastelement einen extrem breiten Bereich mit einem Öffnungswinkel ϕ von 120° und einen variablen Bereich α des Emissionswinkels von 120° abtasten konnte.
<Beispiel 2>
Es wurde ein optisches Abtastelement hergestellt, das in jeder von 3A und 3B gezeigt ist. Ein spezifisches Verfahren war derart, wie es nachstehend beschrieben ist.
1. Herstellung einer ersten Lichtablenkungseinrichtung
Eine erste Lichtablenkungseinrichtung wurde in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass bei der Bildung des Lichtwellenleiters mit einem Liniendefekt der Abstand zwischen den angrenzenden Löchern, die den Liniendefekt dazwischen umgeben, von 950 nm zu 760 nm geändert wurde. Die resultierende erste Lichtablenkungseinrichtung wurde der gleichen Bewertung wie diejenige von Beispiel 1 unterzogen. Als Ergebnis betrug der Ausbreitungsverlust des Lichtwellenleiters 0,5 dB/cm. Darüber hinaus wies das ausgegebene Laserlicht eine sogenannte Fächerstrahlform auf, die in der Draufsicht eine Linienform war und bei einer Betrachtung von der Lichtwellenleiterrichtung eine Fächerform war und der Winkel des Fächers (der Öffnungswinkel des Fächers) betrug 60°. Ferner wurde beim Umschalten einer zwischen den Elektroden der Einrichtung anzulegenden Spannung zwischen ±50 V festgestellt, dass der Emissionswinkel des Lichts von -20° bis +20° bezogen auf die Referenzoberfläche (der Oberfläche, welche die Lichtwellenleiterrichtung als eine Senkrechte umfasst) geändert werden konnte. Schließlich wurde zum experimentellen Verifizieren des Ansprechverhaltens der Einrichtung untersucht, ob die Einrichtung Licht bei einer Spannung von ±15 V und 50 MHz abtasten konnte oder nicht. Als Ergebnis konnte festgestellt werden, dass die Einrichtung ein Abtasten problemlos durchführen konnte.
2. Herstellung eines optischen Abtastelements
Eine zweite Lichtablenkungseinrichtung (Beugungsgitter) mit Gitterrillen, die in einer Streifenstruktur in einer Glasplatte angeordnet sind, wurde in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Periode der Struktur auf 1,6 µm eingestellt wurde. Ein optisches Abtastelement wurde in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die so erhaltene zweite Lichtablenkungseinrichtung verwendet wurde; und die zweite Lichtablenkungseinrichtung so montiert wurde, dass die Richtung, in der sich die Gitterrillen der zweiten Lichtablenkungseinrichtung erstreckten, im Wesentlichen senkrecht zu der Lichtwellenleiterrichtung war und somit im Wesentlichen parallel zu der Richtung war, in der sich die Gitterrillen des Beugungsgitters in der ersten Lichtablenkungseinrichtung erstreckten. Laserlicht wurde in das resultierende optische Abtastelement in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 eingeführt und die Struktur des emittierten Lichts wurde untersucht. Als Ergebnis wurden vor dem Anlegen einer Spannung gebeugte Lichtstrahlen nullter Ordnung und plus und minus erster Ordnung, die als das emittierte Licht dienen, als Fächerstrahlen festgestellt. Die Fächerstrahlen waren derart, dass das gebeugte Licht minus erster Ordnung, das gebeugte Licht nullter Ordnung und das gebeugte Licht plus erster Ordnung entlang der Lichtwellenleiterrichtung vorlagen und der Öffnungswinkel ϕ von jedem der Fächerstrahlen 60° betrug. Es wurde festgestellt, dass der Emissionswinkel von jedem der Fächerstrahlen in dem variablen Bereich α von -20° bis +20° bezogen auf die Referenzoberfläche verändert werden konnte. Folglich wurde festgestellt, dass das resultierende optische Abtastelement einen extrem breiten Bereich mit einem Öffnungswinkel ϕ von 60° und einen variablen Bereich α des Emissionswinkels von 120° abtasten konnte.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Das optische Abtastelement gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann als sogenannter Scanner in einem breiten Bereich verwendet werden. Das optische Abtastelement wird beispielsweise als Laserradar, Laserscanner oder LiDAR verwendet und kann auf ein Gegenstandserfassungssystem oder ein Entfernungsmesssystem für die Steuerung eines automatischen Betriebs eines Kraftfahrzeugs bzw. Automobils oder für die Positionssteuerung eines Roboters oder einer Drohne angewandt werden.
Bezugszeichenliste

10: Elektrooptisches Kristallsubstrat
12: Loch
14: Dünne Platte
16: Lichtwellenleiter
20: Verbindungsabschnitt
30: Trägersubstrat
40: Elektrode
50: Beugungsgitter
60: Mantelschicht
80: Hohlraum
100: Erste Lichtablenkungseinrichtung
200: Zweite Lichtablenkungseinrichtung
300: Optisches Abtastelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2017126386 A1 [0002]
WO 2018003852 A1 [0002]
WO 2018186471 A1 [0002]
JP 4208754 B2 [0002]
JP 2017521734 A [0016]
US 10665953 B1 [0016]

Claims

Optisches Abtastelement, umfassend: eine erste Lichtablenkungseinrichtung zum Emittieren von Licht zu einem ersten Bereich; und eine zweite Lichtablenkungseinrichtung zum Emittieren des Lichts, das zu dem ersten Bereich emittiert worden ist, zu einem zweiten Bereich, der breiter ist als der erste Bereich, wobei die erste Lichtablenkungseinrichtung so ausgebildet ist, dass deren Brechungsindex durch eine Änderung der angelegten Spannung geändert wird und der erste Bereich durch die Änderung des Brechungsindex eingestellt wird, und wobei die zweite Lichtablenkungseinrichtung zum Einstellen des zweiten Bereichs durch Beugung ausgebildet ist.
Optisches Abtastelement nach Anspruch 1, wobei die erste Lichtablenkungseinrichtung eine, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: einer Kombination aus einem photonischen Kristall und einem Beugungsgitter; einem phasengesteuerten optischen Feld; und einer variablen optischen Metaoberfläche, ist.
Optisches Abtastelement nach Anspruch 2, wobei die zweite Lichtablenkungseinrichtung ein Beugungsgitter ist.
Optisches Abtastelement nach Anspruch 1, wobei die erste Lichtablenkungseinrichtung umfasst: eine photonische Kristallschicht, die durch periodisches Bilden von Löchern in einem elektrooptischen Kristallsubstrat erhalten wird; einen Lichtwellenleiter mit einem Liniendefekt, 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, und so ausgebildet ist, dass sich ein Emissionswinkel von Licht, das von einer oberen Oberfläche des Lichtwellenleiters emittiert wird, ändert.
Optisches Abtastelement nach Anspruch 4, wobei das Beugungsgitter eine Mehrzahl von Gitterrillen aufweist, die sich in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu einer Wellenleitrichtung des Lichtwellenleiters erstrecken.
Optisches Abtastelement nach Anspruch 5, wobei die zweite Lichtablenkungseinrichtung ein Beugungsgitter mit Gitterrillen ist, und wobei die Richtung, in der sich die Gitterrillen in der ersten Lichtablenkungseinrichtung erstrecken, und die Richtung, in der sich die Gitterrillen in der zweiten Lichtablenkungseinrichtung erstrecken, im Wesentlichen senkrecht zueinander sind.
Optisches Abtastelement nach Anspruch 5, wobei die zweite Lichtablenkungseinrichtung ein Beugungsgitter mit Gitterrillen ist, und wobei die Richtung, in der sich die Gitterrillen in der ersten Lichtablenkungseinrichtung erstrecken, und die Richtung, in der sich die Gitterrillen in der zweiten Lichtablenkungseinrichtung erstrecken, im Wesentlichen parallel zueinander sind.
Optisches Abtastelement nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die erste Lichtablenkungseinrichtung ferner umfasst: ein Trägersubstrat, das unterhalb des elektrooptischen Kristallsubstrats angeordnet ist, wobei das Trägersubstrat zum Stützen des elektrooptischen Kristallsubstrats ausgebildet ist; einen Verbindungsabschnitt, der zum miteinander Integrieren des elektrooptischen Kristallsubstrats und des Trägersubstrats ausgebildet ist; und einen Hohlraum, der durch eine untere Oberfläche des elektrooptischen Kristallsubstrats, eine obere Oberfläche des Trägersubstrats und den Verbindungsabschnitt festgelegt ist.
Optisches Abtastelement nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei das elektrooptische Kristallsubstrat eines, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Lithiumniobat; Lithiumtantalat; Kaliumtitanatphosphat; Kaliumlithiumniobat; Kaliumniobat; Kaliumtantalatniobat; und einer festen Lösung von Lithiumniobat und Lithiumtantalat, umfasst.