JP2019040041A

JP2019040041A - 光偏向モジュール

Info

Publication number: JP2019040041A
Application number: JP2017161528A
Authority: JP
Inventors: 富樫　孝宏; Takahiro Togashi; 孝宏富樫
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 2017-08-24
Filing date: 2017-08-24
Publication date: 2019-03-14
Also published as: JP2022043281A; JP2023130472A

Abstract

【課題】単純な構造によって光出射面内での出射光を均一化することが可能である光偏向モジュールを提供する。また、単純な構造によって光出射面内における出射光の強度調節が可能な光偏向モジュールを提供する。【解決手段】光が導波する導光層１５と、前記導光層の一方の面上に形成され、かつ前記導光層と反対側の１の面に前記導光層に前記光が入射する光入射面ＩＳ及び前記光が出射する光出射面ＥＳを有する分布ブラッグ反射鏡層１７と、を有し、前記光出射面が形成されている領域における前記分布ブラッグ反射鏡層の前記光に対する反射率は、前記光入射面からの距離に応じて変化することを特徴とする光偏向モジュール１０である。【選択図】図２

Description

本発明は、光偏向モジュールに関する。

近年、半導体レーザ等から出射するレーザ光を偏向させて走査するデバイスに関して、様々な構造の光偏向モジュールが提案されている。

例えば、特許文献１には、２つのブラッグミラー層に挟持された光導波層を有し、２つのブラッグミラー層のうちの一方のブラッグミラー層の表面を光出射面として、当該光導波層を伝播する光を当該光出射面から出射させる光偏向モジュールが開示されている。

特許文献１の光偏向モジュールには、光導波層を伝搬中の光の減衰による出射光の減少を補完するための発光層が設けられている。

特許５９３０２３１号

例えば、特許文献１のような光偏向モジュールでは、出射光の減少を防止するために、活性層及び活性層へ電流を供給するための構造を設ける必要があるため、モジュールの構造が複雑になってしまうという問題があった。この構造の複雑さは、例えば、モジュールの生産コスト増加及び歩留まりの低下をもたらし得る。

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、単純な構造によって光出射面内での出射光を均一化することが可能である光偏向モジュールを提供することを課題の１つとしている。また、単純な構造によって光出射面内における出射光の強度調節が可能な光偏向モジュールを提供することを課題の１つとしている。

請求項１に記載の発明は、光が導波する導光層と、前記導光層の一方の面上に形成され、かつ前記導光層と反対側の１の面に前記導光層に前記光が入射する光入射面及び前記光が出射する光出射面を有する分布ブラッグ反射鏡層と、を有し、前記光出射面が形成されている領域における前記分布ブラッグ反射鏡層の前記光に対する反射率は、前記光入射面からの距離に応じて変化することを特徴とする光偏向モジュールである。

実施例１に係る光偏向モジュールの上面図である。実施例１に係る光偏向モジュールの断面図である。実施例１に係る光偏向モジュールの出射光の強度を示す図である。実施例２に係る光偏向モジュールの断面図である。実施例２に係る光偏向モジュールの出射光の強度を示す図である。実施例３に係る光偏向モジュールの上面図である。実施例３に係る光偏向モジュールの断面図である。実施例３に係る光偏向モジュールの断面図である。実施例３に係る光偏向モジュールの出射光の強度を示す図である。

以下に本発明の実施例について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

以下、図１を参照して、本願の実施例１に係る光偏向モジュール１０の構成を説明する。図１は、実施例１に係る光偏向モジュール１０を示す上面図である。

図１に示すように、光偏向モジュール１０は、矩形の平面形状を有している。光偏向モジュール１０の上面には、光偏向モジュール１０内に入射する光の入射面である光入射面ＩＳ及び光偏向モジュール１０から出射する光の出射面である光出射面ＥＳが設けられている。

図２は、図１の２−２線に沿った断面図である。基板１１は、光偏向モジュール１０の平面形状と同一の平面形状を有する板状の基板である。具体的には、例えば、基板１１は、ＧａＡｓ基板である。

下部反射層１３は、基板１１上に基板１１の上面に垂直な方向に積層された半導体多層膜によって形成された分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）構造を形成する層である。具体的には、例えば、この下部反射層１３は、ＡｌＡｓの薄膜とＧａＡｓの薄膜とが交互に積層されたＡｌＡｓ／ＧａＡｓ半導体多層膜である。

この半導体多層膜の１層当たりの層厚は、光入射面ＩＳから入射させられる入射光ＩＬの波長に基づいて決定される。具体的には、例えば、半導体多層膜の１層当たりの層厚は、入射光ＩＬの層内における波長の１／４の厚さにするのが好ましい。

導光層１５は、下部反射層１３の上面に設けられ、光入射面ＩＳから入射される光を導波することが可能な層である。具体的には、例えば、導光層１５は、ＧａＡｓからなる層である。

分布ブラッグ反射鏡層としての上部反射層１７は、導光層１５上に基板１１の上面と垂直な方向に積層された半導体多層膜によって形成された分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）構造を形成する層である。すなわち、上部反射層１７が下部反射層１３と共に導光層１５を挟持している構造となっている。

例えば、この上部反射層１７は、ＡｌＡｓの薄膜とＧａＡｓの薄膜とが交互に積層されたＡｌＡｓ／ＧａＡｓ半導体多層膜である。下部反射層１３と同様に、上部反射層１７の半導体多層膜の１層当たりの層厚は、光入射面ＩＳから入射させられる入射光ＩＬの波長に基づいて決定される。具体的には、半導体多層膜の１層当たりの層厚は、入射光ＩＬの層内における波長の１／４の厚さとするのが好ましい。

上部反射層１７は、光偏向モジュール１０の長手方向の一方の端部において光偏向モジュールの上方から直方体形状に切り欠かれている切欠き部１７Ａを有している。切欠き部１７Ａは、上部反射層１７内で終端しており、切欠き部１７Ａによって露出されており、上方を向いている面が上述の光入射面ＩＳとなっている。

切欠き部１７Ａが形成されている領域以外の上部反射層１７の上面が、上述した光出射面ＥＳとなっている。光出射面ＥＳは、切欠き部１７Ａから離間する程、基板１１の上面に近づいていくような傾斜面を形成している。すなわち、切欠き部１７Ａから離間する程、上部反射層１７の半導体多層膜の層数が少なくなり、上部反射層１７の厚みが小さくなっている。

このような傾斜面は、例えば、導光層１５上に半導体多層膜を積層した後に、３Ｄフォトマスク（グレイスケールマスク）を用いたエッチングを行うことで形成することが可能である。

また、基板１１の上面に垂直な方向において光出射面ＥＳの下方の領域では、上部反射層１７の半導体多層膜の層数が、下部反射層１３の半導体多層膜の層数よりも小さくなっている。すなわち、入射光ＩＬに対する反射率が、上部反射層１７よりも下部反射層１３の方が大きくなっている。一例として、本実施例では、下部反射層１３がＡｌＡｓ／ＧａＡｓを一組とした層を４０組積層して構成されており、上部反射層１７が、最厚部においてＡｌＡｓ／ＧａＡｓを一組とした層を２０組積層して構成されている。

以下、下部反射層１３、導光層１５及び上部反射層１７をまとめて光導波路と称する。

図２に示すように、上述した光偏向モジュール１０では、光入射面ＩＳから光導波路内に光が入射すると、光導波路内の光は、導光層１５の下面及び上面に設けられた下部反射層１３及び上部反射層１７で反射しながら導光層１５内を伝播（導波）する。

上述のように、上部反射層１７の光反射率が下部反射層１３の光反射率より低くなるように構成されているため、導光層１５内を伝播する光のうち、上部反射層１７によって反射されずに漏れ出た光が、上部反射層１７の上面の光出射面ＥＳから出射する。すなわち、導光層１５を伝播する光は、光入射面ＩＳから入射した後、光入射面ＩＳから離れるように伝播するにつれて少しずつ光出射面ＥＳから出射され減衰していく。

ここで、光導波路中における内部の伝搬角θiは、下式（１）で近似的に表される。なお式（１）において、λは入射光の波長、λcは光導波路においてシングルモードで伝播され得る光の最短の波長であるカットオフ波長である。

従って、スネルの法則から、光偏向モジュール１０の上部反射層１７上面の出射面から出射する光の偏向角θrは、下式（２）で表される。なお式（２）において、nは光導波路の平均的な屈折率である。

上記式からわかるように、本実施例の光偏向モジュール１０によれば、光入射面ＩＳに入射させる光の波長を変化させることで、偏向角θｒを変化させることができる。

上述のように、本実施例の光偏向モジュール１０のように、導光層１５を伝播する光が上部反射層１７から少しずつ漏れ出て出射するような構成の光偏向モジュールの場合、導光層を伝播する光は少しずつ減衰しつつ伝播していく。そのため、上部反射層１７の厚さ、すなわち上部反射層１７の半導体多層膜の層数が光出射面ＥＳの下部全体に亘って同一とした場合、光出射面ＥＳから出射する光の強度が光入射面ＩＳから離間する程小さくなってしまう。

本実施例の光偏向モジュール１０においては、上述のように、光入射面ＩＳをもたらす切欠き部１７Ａから離間する程、上部反射層１７の半導体多層膜の層数が少なくなり、上部反射層１７の厚みが小さくなっている。そのため、光入射面ＩＳから離間すればするほど、上部反射層１７の反射率が低くなり、導光層１５から漏れ出る光の割合が増加する。この結果、導光層１５を伝播する光の減衰に起因する光出射面ＥＳからの出射光の強度の低下を小さくすることが可能である。

図３に、図２に示す断面に沿った領域における光出射面ＥＳからの出射光ＥＬの強度のグラフを示す。このグラフにおいては、横軸を図２の断面に沿った光入射面ＩＳからの距離Ｌとし、縦軸を出射光ＥＬの強度としている。図３は、光出射面ＥＳに亘って、出射光ＥＬの光強度が一定である場合を示している。

上述のように、本実施例の光偏向モジュール１０では、上部反射層１７の半導体多層膜の層数を、導光層１５を伝播する光の減衰率に応じて、すなわち、光入射面ＩＳからの距離に応じて少なくしている。従って、本実施例の光偏向モジュール１０によれば、図３のように、光出射面ＥＳに亘って、出射光ＥＬの強度を一定とすることができる。

なお、図２においては、上部反射層１７の上面である光出射面ＥＳの傾きが一定であり、断面において光出射面ＥＳが直線である場合を図示している。しかし、光出射面ＥＳに亘って出射光ＥＬの光強度を一定にする場合、例えば、導光層１５を伝播する光の減衰率に応じて、光出射面の傾きが途中で変化してもよい。また、断面において光出射面ＥＳが曲線となっていてもよい。

また、所望の出射光ＥＬの強度分布によって、光入射面ＩＳからの距離に応じて上部反射層１７の半導体多層膜の層数を多くしたりする等、任意に変更することも可能である。例えば、所望の出射光ＥＬの強度を、光入射面ＩＳから遠いほど弱くしたい場合には、光入射面ＩＳから離れるほど、上部反射層１７の半導体多層膜の層数を多くして上部反射層１７の反射率を上げてもよい。

本発明の実施例２の光偏向モジュール２０について説明する。実施例２の光偏向モジュール２０は、光偏向モジュール２０の長手方向において、出射光ＥＬの強度にガウシアン分布をもたせることが意図されているモジュールである。

図４に、図２と同様の断面における光偏向モジュール２０の断面図を示す。なお、実施例２の光偏向モジュール２０は、上部反射層１７の形状が異なる以外、実施例１の光偏向モジュール１０と同一の構成を有している。従って、以下の説明においては、上部反射層１７以外の説明は省略する。なお、図４においては、実施例１の光偏向モジュール１０の光出射面ＥＳの形状を破線で示している。

図４に示すように、光偏向モジュール２０では、光出射面ＥＳの形状は、光偏向モジュール１０の形状を基準にして、光出射面ＥＳの長手方向における中心線を含みかつ断面に垂直な面ＣＳ周辺の領域を中心に基板１１に向かって凹んでいる形状としている。すなわち、上部反射層１７の厚さ、言い換えれば上部反射層１７の反射率が光出射面ＥＳの長手方向における中心の領域において最も小さくなっている。

図５に、図４に示す断面に沿った領域における光出射面ＥＳからの出射光ＥＬの強度のグラフを示す。図３と同様に、このグラフにおいては、横軸を図４の断面に沿った光入射面ＩＳからの距離Ｌとし、縦軸を出射光ＥＬの強度としている。

上述のように、光偏向モジュール２０においては、上部反射層１７の厚さを光入射面ＩＳからの距離に応じて小さくし、かつ光出射面ＥＳの形状を、光出射面ＥＳの面ＣＳ周辺の領域を中心に凹んでいる形状としている。このようにすることで、図５に示すように、出射光ＥＬの強度分布をガウシアン分布またはそれに近い分布にすることが可能である。

なお、図４に示す断面における光出射面ＥＳの形状は、理想とされるガウシアン分布の形状を上下反転させた形状と実施例１の光出射面ＥＳの傾斜形状を合成することによって求められることとしてもよい。このようにすることで、導光層１５における光の減衰を考慮に入れて、図４の断面に沿った方向において対称な出射光ＥＬの分布を得ることが可能である。

上述のように、光偏向モジュール２０においては、上部反射層１７の反射率が、光入射面ＩＳからの距離に応じかつ光出射面ＥＳから出射する出射光ＥＬの所望の出力強度分布に応じて変化している。

光偏向モジュール２０によって実現されるガウシアン分布を有する出射光ＥＬは、伝播してもあまり強度分布が変化しない。そのため、例えば、光偏向モジュール２０から出射した後に光検出モジュール等に入射する際にまで、当該入射する光の強度分布が乱れず、当該入射する光によって生成される信号の処理が容易となる。

なお、実施例１と同様に、光偏向モジュール２０の光出射面ＥＳの形状も、例えば、導光層１５上に半導体多層膜を積層した後に、３Ｄフォトマスク（グレイスケールマスク）を用いたエッチングを行うことで形成することが可能である。

以下に、本発明の実施例３の光偏向モジュール３０について説明する。光偏向モジュール３０は、出射光ＥＬの強度に円環状の分布をもたせることが意図されているモジュールである。

図６に、光偏向モジュール３０の上面図を示す。なお、実施例３の光偏向モジュール３０は、上面形状の縦横のアスペクト比及び上部反射層１７の形状が異なる以外、実施例１の光偏向モジュール１０と同一の構成となっている。従って、以下の説明においては、上部反射層１７以外の説明は省略する。

図６に示すように、光偏向モジュール３０の光出射面ＥＳは、中央に凹部形成領域ＲＲ（図中破線内）を有している。凹部形成領域ＲＲ内には、中心点Ｐを中心としたドーナツ状（円環状）の凹部ＲＰが形成されている。図６においては、形状が把握しやすいように、凹部が深いところを濃色とし凹部が浅いところを淡色としたグラデーションを施している。

図７に図６の中心点Ｐを通る７−７線に沿った断面図を、図８に図６の８−８断面に沿った断面図を示す。なお、図７及び図８においては、実施例１の光偏向モジュール１０の光出射面ＥＳの形状を破線で示している。

図７及び図８に示すように、光出射面ＥＳの形状は、光偏向モジュール１０の形状を基準にして、円環状の凹部ＲＰを設けた形状となっている。

図７に示す断面、すなわち中心点Ｐを通る断面は、円環状の凹部ＲＰを中心線に沿って切った断面となっている。よって、図７においては、２つの凹部ＲＰ１、ＲＰ２がこの断面に沿って並んでいるように示されている。また、凹部ＲＰ２は、凹部ＲＰ１よりも深くなっている。

図８に示す断面は、円環状の凹部ＲＰの端部に近い領域における断面となっている。よって、図８においては、浅い凹部が１つ形成されているように示されている。

図９に、図７に示す断面に沿った領域における光出射面ＥＳからの出射光ＥＬの強度のグラフを示す。図３と同様に、このグラフにおいては、横軸を図７の断面に沿った光入射面ＩＳからの距離Ｌとし、縦軸を出射光ＥＬの強度としている。

上述のように、光偏向モジュール３０においては、上部反射層１７の厚さを光入射面ＩＳからの距離に応じて小さくし、かつ光出射面ＥＳに、光出射面ＥＳの中心点Ｐを中心とした円環状の凹部ＲＰを形成している。すなわち、光偏向モジュール３０においては、光出射面ＥＳ内において反射率が周囲より低い円環状の領域が形成されている。

このようにすることで、出射光ＥＬの強度分布を円環状の光強度が強い領域及び当該円環状の領域に囲まれた光強度が弱い領域を有する分布にすることが可能である。

なお、図９においては、図７に示す断面形状に応じた２つのピークを有する光強度分布が表されている。また、光入射面ＩＳからより遠い凹部ＲＰ２の方が凹部ＲＰ１よりも深く形成されている、すなわち凹部ＲＰ２が設けられている領域の方が上部反射層１７の反射率が低なっている。そのため、導光層１５における光の減衰に関わらず、対称な光強度分布が実現されている。

なお、上記円環状の凹部の形状は、理想とされる光強度分布の形状を上下反転させた形状と実施例１の光出射面ＥＳの傾斜形状を合成することによって求められることとしてもよい。このようにすることで、導光層１５における光の減衰を考慮に入れて、光出射面ＥＳ全体において対称な出射光ＥＬの分布を得ることが可能である。

上述のように、光偏向モジュール３０においては、上部反射層１７の反射率が、光入射面ＩＳからの距離に応じかつ光出射面ＥＳから出射する出射光ＥＬの所望の出力強度分布に応じて変化している。

光偏向モジュール３０によって実現される円環状の分布を有する出射光ＥＬは、レンズの収差による影響をあまり受けない。よって、例えば、光偏向モジュール３０から出射された出射光ＥＬをレンズによって集光する場合に、当該集光したビームのスポット径を小さくすることが容易となる。

なお、実施例１及び２と同様に、光偏向モジュール３０の光出射面ＥＳの形状も、例えば、導光層１５上に半導体多層膜を積層した後に、３Ｄフォトマスク（グレイスケールマスク）を用いたエッチングを行うことで形成することが可能である。

上記実施例においては、下部反射層１３及び上部反射層１７をＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなる半導体多層膜で形成するとした。しかし、下部反射層１３及び上部反射層１７を形成する半導体多層膜は、これに限られない。例えば、下部反射層１３及び上部反射層１７を形成する半導体多層膜は、ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなる半導体多層膜であってもよい。

また、下部反射層１３及び上部反射層１７を形成する半導体多層膜は、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰからなる半導体多層膜であってもよい。なお、半導体多層膜をＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰとする場合は、例えば、基板１１の材料をＩｎとし、導光層１５の材料をＩｎＧａＡｓＰとする。

上述した実施例における種々の構成等は、例示に過ぎず、用途等に応じて、適宜選択することができる。

１０、２０、３０光偏向モジュール
１１基板
１３下部反射層
１５導光層
１７上部反射層
ＩＳ光入射面
ＥＳ光出射面

Claims

光が導波する導光層と、
前記導光層の一方の面上に形成され、かつ前記導光層と反対側の１の面に前記導光層に前記光が入射する光入射面及び前記光が出射する光出射面を有する分布ブラッグ反射鏡層と、
を有し、
前記光出射面が形成されている領域における前記分布ブラッグ反射鏡層の前記光に対する反射率は、前記光入射面からの距離に応じて変化することを特徴とする光偏向モジュール。
前記分布ブラッグ反射鏡層の層厚は、前記光入射面からの距離に応じて変化することを特徴とする請求項１に記載の光偏向モジュール。
前記分布ブラッグ反射鏡層の前記光に対する反射率は、前記光入射面からの距離が大きくなるほど小さくなることを特徴とする請求項１に記載の光偏光モジュール。
前記分布ブラッグ反射鏡層の前記光に対する反射率は、前記導光層から前記分布ブラッグ反射鏡層を通過して前記光出射面より出射する光の前記光出射面の面内における所望の出射強度分布及び前記光入射面からの距離に応じて変化することを特徴とする請求項１に記載の光偏向モジュール。
前記分布ブラッグ反射鏡層には、前記光出射面内において前記光に対する反射率が周囲より低い円環状の領域が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の光偏向モジュール。