JP2022137280A - 光スキャンデバイス、光受信デバイス、および光検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡単な構成で、光を出射または導入する光デバイスを提供する。【解決手段】光デバイスは、第１の導波路と、第２の導波路と、を備え、前記第１の導波路は、外部媒質よりも屈折率の高い高屈折率媒質を含み、前記高屈折率媒質と前記外部媒質との界面の臨界角以上の入射角および反射角で光を全反射させることによって前記光を伝搬させ、前記第２の導波路は、第１の反射膜と、前記第１の反射膜に対向する第２の反射膜と、前記第１の導波路に直接的またはギャップを持って繋がり、前記第１の反射膜と前記第２の反射膜の間に位置する第１の光導波層と、を備え、前記第１の光導波層は、前記第１の導波路の中心線の延長線と重なり、前記第１の光導波層内を伝搬する前記光の一部を、前記第２の導波路の外部に出射する、または、前記第２の導波路に入射した光の一部を、前記第１の光導波層内に導入する。【選択図】図９

Description

本開示は、光スキャンデバイス、光受信デバイス、および光検出システムに関する。

従来、光で空間を走査（すなわち、スキャン）できる種々のデバイスが提案されている。

特許文献１は、ミラーを回転させる駆動装置を用いて、光によるスキャンを行うことができる構成を開示している。

特許文献２は、２次元的に配列された複数のナノフォトニックアンテナ素子を有する光フェーズドアレイを開示している。それぞれのアンテナ素子は可変光遅延線（位相シフタ）に光学的に結合される。この光フェーズドアレイでは、コヒーレント光ビームが導波路によってそれぞれのアンテナ素子に誘導され、位相シフタによって光ビームの位相がシフトされる。これにより、遠視野放射パターンの振幅分布を変化させることができることが開示されている。

特許文献３は、内部を光が導波する光導波層、および光導波層の上面および下面に形成された第１分布ブラッグ反射鏡を備える導波路と、導波路内に光を入射させるための光入射口と、光入射口から入射して導波路内を導波する光を出射させるために導波路の表面に形成された光出射口とを備える光偏向素子を開示している。

国際公開第２０１３／１６８２６６号 特表２０１６－５０８２３５号公報 特開２０１３－１６４９１号公報

本開示の一態様は、比較的簡単な構成で、光によるスキャンを実現し得る新規な光スキャンデバイスを提供する。

本開示の一態様に係る光スキャンデバイスは、全反射によって導波方向に光を伝搬させる第１の導波路と、第２の導波路と、を備える。前記第２の導波路は、第１の多層反射膜と、前記第１の多層反射膜に対向する第２の多層反射膜と、前記第１の導波路に直接的に繋がり、前記第１の多層反射膜と前記第２の多層反射膜の間に位置する第１の光導波層と、を備える。前記第１の光導波層は、可変の厚さ及び／又は前記光に対する可変の屈折率を有し、前記第１の導波路を伝搬した前記光を伝搬させる。前記第１の多層反射膜は、前記第２の多層反射膜よりも高い光透過率を有し、前記第１の光導波層内を伝搬する前記光の一部を、前記第２の導波路の外部に出射する。前記第１の光導波層の前記厚さ及び／又は前記光に対する前記屈折率が変化することにより、前記第２の導波路から出射される前記光の前記一部の方向が変化する。

上記の包括的または具体的な態様は、デバイス、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム、記録媒体、またはこれらの任意の組み合わせによって実現されてもよい。

本開示の一態様によれば、比較的簡単な構成で、光による１次元スキャンまたは２次元スキャンを実現することができる。

図１は、本開示の例示的な実施形態における光スキャンデバイス１００の構成を模式的に示す斜視図である。 図２は、１つの導波路素子１０の断面の構造および伝搬する光の例を模式的に示す図である。 図３は、本シミュレーションにおいて用いた計算モデルを模式的に示す図である。 図４Ａは、光導波層２０の厚さｄが７０４ｎｍの場合における光導波層２０の屈折率ｎ_ｗと、モード次数ｍ＝１の光の出射角度θとの関係を計算した結果を示している。 図４Ｂは、光導波層２０の厚さｄが４４６ｎｍの場合における光導波層２０の屈折率ｎ_ｗと、モード次数ｍ＝１の光の出射角度θとの関係を計算した結果を示している。 図５は、単一の導波路素子１０によって１次元スキャンを実現する光スキャンデバイス１００の例を模式的に示す図である。 図６Ａは、導波路素子１０に光が入力される構成の例（比較例）を模式的に示す断面図である。 図６Ｂは、導波路１０に光ファイバー７によって光を入射する構成の例を示す図である。 図７は、光の入射角θ_ｉｎを固定し、導波路の屈折率ｎ_ｗを変化させることによって光の出射角θ_ｏｕｔを変化させたときの結合効率の変化を示すグラフである。 図８は、本開示の例示的な実施形態における光スキャンデバイスの構造の一部を模式的に示す断面図である。 図９は、光スキャンデバイスの構造の他の例を模式的に示す断面図である。 図１０は、光スキャンデバイスの構造のさらに他の例を模式的に示す断面図である。 図１１は、図８に示す例のように、２つの多層反射膜で挟まれた光導波層２への光の入射の一例を示している。 図１２Ａは、図９に示す例のように、導波路１の表面に設けられたグレーティング５を介して導波路１に光が導入される例を示している。 図１２Ｂは、導波路１の端面から光が入力される例を示している。 図１２Ｃは、導波路１の表面に設けられたレーザー光源６から、当該表面を介して光が入力される例を示している。 図１３は、ｎ_ｗ１を１．４５、ｄ１を１．２７μｍ、波長λを１．５５μｍとした場合の導波路１から導波路１０への導波光の結合効率のｄ２依存性を示している。 図１４は、ｎ_ｗ１を３．４８、ｄ１を０．５μｍに変更して同様の方法で行った計算の結果を示している。 図１５は、横軸をｄ２／ｄ_{ｃｕｔｏｆｆ}、縦軸を屈折率比（｜ｎ_ｗ１－ｎ_ｗ２｜／ｎ_ｗ１）とし、結合効率が０．５以上になる場合と、結合効率が０．５未満になる場合とを分類した図である。 図１６は、導波路１における光導波層２の厚さ方向の中心と、導波路１０における光導波層２０の厚さ方向の中心とがΔｚだけずれた構成を示す図である。 図１７は、導波路１から導波路１０への光の結合効率のΔｚ依存性を示す図である。 図１８Ａは、ｎ_ｗ１を２．２、ｄ１を０．７μｍ、波長λを１．５５μｍとした場合における結合効率のｄ_２依存性を示している。 図１８Ｂは、ｎ_ｗ１を３．４８、ｄ１を０．４６μｍ、波長λを１．５５μｍとした場合における結合効率のｄ_２依存性を示している。 図１９Ａは、他のモード次数の光の伝搬を示す計算で用いた計算モデルを示す図である。 図１９Ｂは、他のモード次数の光の伝搬を示す計算結果を示す図である。 図２０Ａは、他の実施形態における光スキャンデバイスを示す断面図である。 図２０Ｂは、結合効率のギャップ幅依存性の計算結果を示す図である。 図２１Ａは、導波路アレイの出射面に垂直な方向に光を出射する導波路アレイの断面を示す図である。 図２１Ｂは、導波路アレイの出射面に垂直な方向とは異なる方向に光を出射する導波路アレイの断面を示す図である。 図２２は、３次元空間における導波路アレイを模式的に示す斜視図である。 図２３Ａは、ｐがλよりも大きい場合において、導波路アレイから回折光が出射される様子を示す模式図である。 図２３Ｂは、ｐがλよりも小さい場合において、導波路アレイから回折光が出射される様子を示す模式図である。 図２３Ｃは、ｐ～λ／２の場合において、導波路アレイから回折光が出射される様子を示す模式図である。 図２４は、位相シフタ８０が導波路素子１０に直接的に接続されている構成の例を示す模式図である。 図２５は、導波路アレイ１０Ａおよび位相シフタアレイ８０Ａを、光出射面の法線方向（Ｚ方向）から見た模式図である。 図２６は、位相シフタ８０における導波路が、導波路素子１０における光導波層２０と、他の導波路８５を介して繋がる構成の例を模式的に示す図である。 図２７は、光分岐器９０にカスケード状に並ぶ複数の位相シフタ８０を挿入した構成例を示す図である。 図２８Ａは、第１調整素子６０の構成の一例を模式的に示す斜視図である。 図２８Ｂは、第１調整素子６０の他の構成例を模式的に示す斜視図である。 図２８Ｃは、調整素子６０のさらに他の構成例を模式的に示す斜視図である。 図２９は、高い電気抵抗を有する材料によって構成されるヒーター６８を含む調整素子６０と導波路素子１０とを組み合わせた構成の例を示す図である。 図３０は、変形し易い材料で構成された支持部材７０でミラー３０が保持された構成例を示す図である。 図３１は、電極間に発生する静電気力によってミラー３０および／または４０を移動させる構成の一例を示す図である。 図３２は、引力を生じさせる電極６２を、光の伝搬を妨げない位置に配置した構成例を示す図である。 図３３は、圧電材料を含む圧電素子７２の例を示す図である。 図３４Ａは、図３３に示す圧電素子７２を用いたユニモルフの構造を有する支持部材７４ａの構成例を示す図である。 図３４Ｂは、圧電素子７２に電圧を印加することによって支持部材７４ａが変形した状態の例を示す図である。 図３５Ａは、図３３に示す圧電素子７２を用いたバイモルフの構造を有する支持部材７４ｂの構成例を示す図である。 図３５Ｂは、両側の圧電素子７２に電圧を印加することによって支持部材７４ａが変形した状態の例を示す図である。 図３６は、図３４Ａに示す支持部材７４ａをミラー３０の両側に配置したアクチュエータの例を示す図である。 図３７Ａは、ユニモルフ型のアクチュエータで発生する先端の傾きを説明するための図である。 図３７Ｂは、伸縮する方向の異なる２つのユニモルフ型の支持部材７４ａを直列に繋ぎ合わせた例を示す図である。 図３８は、複数の第１のミラー３０を保持する支持部材（すなわち、補助基板）５２をアクチュエータで一括して駆動する構成の例を示す図である。 図３９は、複数の導波路素子１０における第１のミラー３０が１つのプレート状のミラーである構成例を示す図である。 図４０は、それぞれの導波路素子１０の電極６２から配線６４を共通に取り出す構成の例を示す図である。 図４１は、一部の電極６２および配線６４を共通にした構成の例を示す図である。 図４２は、複数の導波路素子１０に対して共通の電極６２を配置した構成の例を示す図である。 図４３は、位相シフタアレイ８０Ａを配置する領域を大きく確保して、導波路アレイを小さく集積した構成の例を模式的に示す図である。 図４４は、２つの位相シフタアレイ８０Ａａおよび８０Ａｂが、導波路アレイ１０Ａの両側にそれぞれ配置された構成例を示す図である。 図４５Ａは、導波路素子１０の配列方向ｄ１および導波路素子１０が延びる方向ｄ２が直交していない導波路アレイの構成例を示している。 図４５Ｂは、導波路素子１０の配列間隔が一定でない導波路アレイの構成例を示している。 図４６は、回路基板（すなわち、チップ）上に光分岐器９０、導波路アレイ１０Ａ、位相シフタアレイ８０Ａ、および光源１３０などの素子を集積した光スキャンデバイス１００の構成例を示す図である。 図４７は、光スキャンデバイス１００から遠方にレーザーなどの光ビームを照射して２次元スキャンを実行している様子を示す模式図である。 図４８は、そのような測距画像を生成することが可能なライダー（ＬｉＤＡＲ）システム３００の構成例を示すブロック図である。 図４９は、全反射導波路の概略構成を示す図である。 図５０は、全反射導波路の電界強度分布を示す図である。 図５１は、スローライト導波路の概略構成を示す図である。 図５２は、スローライト導波路の電界強度分布を示す図である。

本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。

本発明者らは、従来の光スキャンデバイスには、装置の構成を複雑にすることなく、光で空間をスキャンすることが困難であるという課題があることを見出した。

例えば、特許文献１に開示されている技術では、ミラーを回転させる駆動装置が必要である。このため、装置の構成が複雑になり、振動に対してロバストでないという課題がある。

特許文献２に記載の光フェーズドアレイでは、光を分岐して複数の列導波路および複数の行導波路に導入し、２次元的に配列された複数のアンテナ素子に光を誘導する必要がある。このため、光を誘導するための導波路の配線が非常に複雑になる。また、２次元スキャンの範囲を大きくすることができない。さらに、遠視野における出射光の振幅分布を２次元的に変化させるためには、２次元的に配列された複数のアンテナ素子の各々に位相シフタを接続し、位相シフタに位相制御用の配線を取り付ける必要がある。これにより、２次元的に配列された複数のアンテナ素子に入射する光の位相をそれぞれ異なる量変化させる。このため、素子の構成が非常に複雑になる。

特許文献３の構成によれば、光偏向素子に入射する光の波長を変化させることにより、出射光によって１次元的に大きくスキャンすることができる。しかし、光偏光素子に入射する光の波長を変化させる機構が必要である。そのような機構をレーザーなどの光源に組み込むと、光源の構造が複雑になるという課題がある。

本発明者らは、従来技術における上記の課題に着目し、これらの課題を解決するための構成を検討した。本発明者らは、対向する一対のミラーと、それらのミラーに挟まれた光導波層とを有する導波路素子を用いることにより、上記の課題を解決し得ることを見出した。導波路素子における一対のミラーの一方は、他方に比べて高い光透過率を有し、光導波層を伝搬する光の一部を外部に出射させる。出射した光の方向（または出射角度）は、後述するように、光導波層の屈折率および／または厚さを調整することにより、変化させることができる。より具体的には、屈折率および／または厚さを変化させることにより、出射光の波数ベクトル（ｗａｖｅ ｖｅｃｔｏｒ）の、光導波層の長手方向に沿った方向の成分を変化させることができる。これにより、１次元的なスキャンが実現される。

さらに、複数の導波路素子のアレイを用いた場合には、２次元的なスキャンを実現することもできる。より具体的には、複数の導波路素子に供給する光に適切な位相差を与え、その位相差を調整することにより、複数の導波路素子から出射する光が強め合う方向を変化させることができる。位相差の変化により、出射光の波数ベクトルの、光導波層の長手方向に沿った方向に交差する方向の成分が変化する。これにより、２次元的なスキャンを実現することができる。なお、２次元的なスキャンを行う場合でも、複数の光導波層の屈折率および厚さの少なくとも一方を異なる量変化させる必要はない。すなわち、複数の光導波層に供給する光に適切な位相差を与え、かつ、複数の光導波層の屈折率および厚さの少なくとも一方を同期して同量変化させることにより、２次元的なスキャンを行うことができる。このように、本開示の実施形態によれば、比較的簡単な構成で、光による２次元スキャンを実現することができる。

以上の基本原理は、光を出射する用途だけでなく、光信号を受信する用途にも同様に適用できる。光導波層の屈折率および厚さの少なくとも一方を変化させることにより、受信できる光の方向を１次元的に変化させることができる。さらに、一方向に配列された複数の導波路素子にそれぞれ接続された複数の位相シフタによって光の位相差を変化させれば、受信できる光の方向を２次元的に変化させることができる。

本開示の実施形態による光スキャンデバイスおよび光受信デバイスは、例えば、ＬｉＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）システムにおけるアンテナとして用いられ得る。ＬｉＤＡＲシステムは、ミリ波などの電波を用いたレーダシステムと比較して、短波長の電磁波（可視光、赤外線、または紫外線）を用いるため、高い分解能で物体の距離分布を検出することができる。そのようなＬｉＤＡＲシステムは、例えば自動車、ＵＡＶ（Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｅｒｉａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ、所謂ドローン）、ＡＧＶ（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｇｕｉｄｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）などの移動体に搭載され、衝突回避技術の１つとして使用され得る。

＜光スキャンデバイスの構成例＞
以下、一例として、２次元スキャンを行う光スキャンデバイスの構成を説明する。

図１は、本開示の例示的な実施形態における光スキャンデバイス１００の構成を模式的に示す斜視図である。光スキャンデバイス１００は、第１の方向（図１におけるＹ方向）に規則的に配列された複数の導波路素子１０を含む導波路アレイを備える。複数の導波路素子１０は、複数の第２の導波路の一例である。複数の導波路素子１０の各々は、第１の方向に交差する第２の方向（図１におけるＸ方向）に延びた形状を有する。複数の導波路素子１０は、第２の方向に光を伝搬させながら、第１および第２の方向によって形成される平面に交差する第３の方向Ｄ３に光を出射させる。第１および第２の方向によって形成される平面とは、すなわち、第１および第２の方向に平行な仮想的な平面である。本実施形態では、第１の方向（Ｙ方向）と第２の方向（Ｘ方向）とが直交しているが、両者が直交していなくてもよい。本実施形態では、複数の導波路素子１０がＹ方向に等間隔で並んでいるが、必ずしも等間隔に並んでいる必要はない。

なお、本願の図面に示される構造物の向きは、説明のわかりやすさを考慮して設定されており、本開示の実施形態が現実に実施されるときの向きをなんら制限するものではない。また、図面に示されている構造物の全体または一部分の形状および大きさも、現実の形状および大きさを制限するものではない。

複数の導波路素子１０のそれぞれは、互いに対向する第１のミラー３０および第２のミラー４０（以下、単にミラーと呼ぶ場合がある）と、ミラー３０とミラー４０の間に位置する光導波層２０とを有する。ミラー３０および４０の各々は、第３の方向Ｄ３に交差する反射面を、光導波層２０との界面に有する。ミラー３０および４０、ならびに光導波層２０は、第２の方向（Ｘ方向）に延びた形状を有している。なお、後述するように、複数の導波路素子１０の複数の第１のミラー３０は、一体に構成された第３のミラーの複数の部分であってもよい。また、複数の導波路素子１０の複数の第２のミラー４０は、一体に構成された第４のミラーの複数の部分であってもよい。さらに、複数の導波路素子１０の複数の光導波層２０は、一体に構成された光導波層の複数の部分であってもよい。少なくとも、（１）各第１のミラー３０が他の第１のミラー３０と別体に構成されているか、（２）各第２のミラー４０が他の第２のミラー４０と別体に構成されているか、（３）各光導波層２０が他の光導波層２０と別体に構成されていることにより、複数の導波路を形成することができる。「別体に構成されている」とは、物理的に空間を設けることのみならず、間に屈折率が異なる材料を挟み、分離することも含む。第１のミラー３０の反射面と第２のミラー４０の反射面とは略平行に対向している。２つのミラーミラー３０および４０のうち、少なくとも第１のミラー３０は、光導波層２０を伝搬する光の一部を透過させる特性を有する。言い換えれば、第１のミラー３０は、当該光について、第２のミラー４０よりも高い光透過率を有する。このため、光導波層２０を伝搬する光の一部は、第１のミラー３０から外部に出射される。このようなミラーミラー３０および４０は、例えば誘電体による多層膜（「多層反射膜」と称することもある。）によって形成される多層膜ミラーであり得る。

それぞれの導波路素子１０に入力する光の位相を制御し、さらに、これらの導波路素子１０における光導波層２０の屈折率および厚さの少なくとも一方を同期して（同時に）変化させることで、光による２次元スキャンを実現することができる。

本発明者らは、そのような２次元スキャンを実現するために、導波路素子１０の動作原理について詳しく分析を行った。その結果に基づき、複数の導波路素子１０を同期して駆動することで、光による２次元スキャンを実現することに成功した。

図１に示されるように、各導波路素子１０に光を入力すると、各導波路素子１０の出射面から光が出射される。出射面は、第１のミラー３０の反射面の反対側に位置する。その出射光の方向Ｄ３は、光導波層の屈折率、厚さ、および光の波長に依存する。本実施形態では、各導波路素子１０から出射される光が概ね同じ方向になるように、各光導波層の屈折率および厚さの少なくとも一方が同期して制御される。これにより、複数の導波路素子１０から出射される光の波数ベクトルのＸ方向の成分を変化させることができる。言い換えれば、出射光の方向Ｄ３を、図１に示される方向１０１に沿って変化させることができる。

さらに、複数の導波路素子１０から出射される光は同じ方向を向いているので、出射光は互いに干渉する。それぞれの導波路素子１０から出射される光の位相を制御することにより、干渉によって光が強め合う方向を変化させることができる。例えば、同じサイズの複数の導波路素子１０がＹ方向に等間隔で並んでいる場合、複数の導波路素子１０には、一定量ずつ位相の異なる光が入力される。その位相差を変化させることにより、出射光の波数ベクトルの、Ｙ方向の成分を変化させることができる。言い換えれば、複数の導波路素子１０に導入される光の位相差をそれぞれ変化させることにより、干渉によって出射光が強め合う方向Ｄ３を、図１に示される方向１０２に沿って変化させることができる。これにより、光による２次元スキャンを実現することができる。

以下、光スキャンデバイス１００の動作原理をより詳細に説明する。

＜導波路素子の動作原理＞
図２は、１つの導波路素子１０の断面の構造および伝搬する光の例を模式的に示す図である。図２では、図１に示すＸ方向およびＹ方向に垂直な方向をＺ方向とし、導波路素子１０のＸＺ面に平行な断面が模式的に示されている。導波路素子１０において、一対のミラー３０とミラー４０が光導波層２０を挟むように配置されている。光導波層２０のＸ方向における一端から導入された光２２は、光導波層２０の上面（図２における上側の表面）に設けられた第１のミラー３０および下面（図２における下側の表面）に設けられた第２のミラー４０によって反射を繰り返しながら光導波層２０内を伝搬する。第１のミラー３０の光透過率は第２のミラー４０の光透過率よりも高い。このため、主に第１のミラー３０から光の一部を出力することができる。

通常の光ファイバーなどの導波路では、全反射を繰り返しながら光が導波路に沿って伝搬する。これに対して、本実施形態における導波路素子１０では、光は光導波層２０の上下に配置されたミラー３０および４０によって反射を繰り返しながら伝搬する。このため、光の伝搬角度（ミラー３０または４０と光導波層２０との界面への入射角度）に制約がなく、ミラー３０または４０に、より垂直に近い角度で入射する光も伝搬できる。すなわち、全反射の臨界角よりも小さい角度（すなわち、より垂直に近い角度）で界面に入射する光も伝搬できる。このため、光の伝搬方向における光の進行速度（群速度）は自由空間における光速に比べて大きく低下する。これにより、導波路素子１０は、光の波長、光導波層２０の厚さ、および光導波層２０の屈折率の変化に対して光の伝搬条件が大きく変化するという性質を持つ。

導波路素子１０の光の伝搬について、より詳しく説明する。光導波層２０の屈折率をｎ_ｗ、光導波層２０の厚さをｄとする。ここで、光導波層２０の厚さｄは、ミラー３０または４０の反射面の法線方向における光導波層２０のサイズである。光の干渉条件を考慮すると、波長λの光の伝搬角度θ_ｗは、以下の式（１）を満たす。

ｍはモード次数である。式（１）は、光導波層２０内の光が厚さ方向に定在波を形成する条件に相当する。光導波層２０内の波長λ_ｇがλ／ｎ_ｗのとき、光導波層２０の厚さ方向における波長λ_ｇ’はλ／（ｎ_ｗｃｏｓθ_ｗ）であると考えることができる。光導波層２０の厚さｄが、光導波層２０の厚さ方向における波長λ_ｇ’の半分λ／（２ｎ_ｗｃｏｓθ_ｗ）の整数倍と等しいとき、定在波が形成される。この条件から式（１）が得られる。なお、式（１）におけるｍは定在波の腹（ａｎｔｉ－ｎｏｄｅ）の数を表す。

ミラー３０および４０が多層膜ミラーである場合、反射時にミラー内部にも光が侵入する。このため、厳密には、光が侵入した分の光路長に対応する項を式（１）の左辺に付け加える必要がある。しかし、ミラー内部への光の侵入の影響よりも光導波層２０の屈折率ｎ_ｗおよび厚さｄの影響の方が遥かに大きいため、式（１）によって基本的な動作を説明できる。

光導波層２０内を伝搬する光が、第１のミラー３０を通じて外部（典型的には空気）に出射されるときの出射角度θは、スネルの法則にしたがって以下の式（２）のように記述できる。

式（２）は、光の出射面において、空気側の光の面方向における波長λ／ｓｉｎθと、導波路素子１０側の光の伝搬方向の波長λ／（ｎ_ｗｓｉｎθ_ｗ）とが等しいという条件から得られる。

式（１）および式（２）より、出射角度θは、以下の式（３）のように記述できる。

式（３）からわかるように、光の波長λ、光導波層２０の屈折率ｎ_ｗ、および光導波層２０の厚さｄのいずれかを変えることで光の出射方向を変えることができる。

例えば、ｎ_ｗ＝２、ｄ＝３８７ｎｍ、λ＝１５５０ｎｍ、ｍ＝１の場合、出射角度は０°である。この状態から、屈折率をｎ_ｗ＝２．２に変化させると、出射角度は約６６°に変化する。一方、屈折率を変えずに厚さをｄ＝４２０ｎｍに変化させると、出射角度は約５１°に変化する。屈折率も厚さも変化させずに波長をλ＝１５００ｎｍに変化させると、出射角度は約３０°に変化する。このように、光の波長λ、光導波層２０の屈折率ｎ_ｗ、および光導波層２０の厚さｄのいずれかを変えることにより、光の出射方向を大きく変えることができる。

この原理を利用して、光導波層２０内を伝搬する光の波長を変化させる波長可変手段を設けることによって光の出射方向を制御することが考えられる。しかしながら、波長可変手段をレーザーなどの光源に組み込むと、光源の構成が複雑になる。

そこで、本実施形態における光スキャンデバイス１００は、光導波層２０の屈折率ｎ_ｗおよび厚さｄの一方または両方を制御することで、光の出射方向を制御する。本実施形態では、光の波長λは、動作中に変化せず、一定に維持される。波長λは、特に限定されない。例えば、波長λは、一般的なシリコン（Ｓｉ）により光を吸収することで光を検出するフォトディテクタまたはイメージセンサで高い検出感度が得られる４００ｎｍ～１１００ｎｍ（可視光から近赤外光）の波長域に含まれ得る。他の例では、波長λは、光ファイバーまたはＳｉ導波路において伝送損失の比較的小さい１２６０ｎｍ～１６２５ｎｍの近赤外光の波長域に含まれ得る。なお、これらの波長範囲は一例である。使用される光の波長域は、可視光または赤外光の波長域に限定されず、例えば紫外光の波長域であってもよい。本実施形態では波長の制御は行われないが、屈折率および／または厚さの制御に加えて、波長を変化させる制御を行ってもよい。

本発明者らは、上記のような特定方向への光の出射が実際に可能であるかを光学解析によって検証した。光学解析は、サイバネット社のＤｉｆｆｒａｃｔＭＯＤを用いた計算によって行った。これは、厳密結合波理論（ＲＣＷＡ：Ｒｉｇｏｒｏｕｓ Ｃｏｕｐｌｅｄ－Ｗａｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ）に基づいたシミュレーションであり、波動光学の効果を正確に計算することができる。

図３は、本シミュレーションにおいて用いた計算モデルを模式的に示す図である。この計算モデルでは、基板５０上に、第２のミラー４０と、光導波層２０と、第１のミラー３０とが、この順に積層されている。第１のミラー３０および第２のミラー４０は、いずれも誘電体多層膜を含む多層膜ミラーである。第２のミラー４０は、相対的に屈折率の低い低屈折率層４２および相対的に屈折率の高い高屈折率層４４を交互に６層ずつ（計１２層）積層した構造を有する。第１のミラー３０は、低屈折率層４２および高屈折率層４４を交互に２層ずつ（計４層）積層した構造を有する。ミラー３０とミラー４０の間に光導波層２０が配置されている。導波路素子１０および基板５０以外の媒質は空気である。

このモデルを用いて、光の入射角度を変化させながら入射光に対する光学応答を調べた。これは、空気からの入射光と光導波層２０とが、どの程度結合するかを調べることに対応している。入射光が光導波層２０と結合する条件では、光導波層２０を伝搬した光が外部に出射されるという逆の過程も起きる。よって、入射光が光導波層２０と結合する場合の入射角度を求めることは、光導波層２０を伝搬した光が外部に出射する際の出射角度を求めることに相当する。入射光が光導波層２０と結合すると、光導波層２０内において光の吸収および散乱によるロスが生じる。つまり、大きなロスが生じる条件では、入射光が光導波層２０に強く結合しているということになる。吸収などによる光のロスがなければ、光の透過率および反射率の合計が１になるが、ロスがあれば、透過率および反射率の合計は１よりも小さくなる。本計算では、光の吸収の影響を取り入れるために、光導波層２０の屈折率に虚部を導入し、１から透過率および反射率の合計を引いた値をロスの大きさとして計算した。

本シミュレーションでは、基板５０はＳｉ、低屈折率層４２はＳｉＯ_２（厚さ２６７ｎｍ）、高屈折率層４４はＳｉ（厚さ１０８ｎｍ）であるものとした。波長λ＝１．５５μｍの光を、角度を様々に変えて入射したときのロスの大きさを計算した。

図４Ａは、光導波層２０の厚さｄが７０４ｎｍの場合における光導波層２０の屈折率ｎ_ｗと、モード次数ｍ＝１の光の出射角度θとの関係を計算した結果を示している。白い線はロスが大きいことを表している。図４Ａに示されているように、ｎ_ｗ＝２．２付近でモード次数ｍ＝１の光の出射角度がθ＝０°となる。ｎ_ｗ＝２．２に近い屈折率をもつ物質には、例えばニオブ酸リチウムがある。

図４Ｂは、光導波層２０の厚さｄが４４６ｎｍの場合における光導波層２０の屈折率ｎ_ｗと、モード次数ｍ＝１の光の出射角度θとの関係を計算した結果を示している。図４Ｂに示されているように、ｎ_ｗ＝３．４５付近でモード次数ｍ＝１の光の出射角度がθ＝０°となる。ｎ_ｗ＝３．４５に近い屈折率をもつ物質には、例えばシリコン（Ｓｉ）が挙げられる。

このように、光導波層２０の厚さｄを調整することにより、特定の光導波層２０の屈折率ｎ_ｗに対して、特定のモード次数（例えばｍ＝１）の光の出射角度θが０°となるように設計できる。

図４Ａおよび図４Ｂに示すように、屈折率の変化に応じて、出射角度θが大きく変わることが確認できた。後述するように、屈折率は、例えばキャリア注入、電気光学効果、および熱光学効果などの様々な方法によって変化させることができる。そのような方法による屈折率の変化は０．１程度とあまり大きくない。そのため、これまでは、そのような小さな屈折率の変化では出射角度はそれほど大きく変化しないと考えられていた。しかし、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、出射角度がθ＝０°となる屈折率付近では、屈折率が０．１増加すると出射角度θが０°から約３０°にまで変化することがわかった。このように、本実施形態における導波路素子１０では、小さい屈折率変化であっても、出射角度を大きく調整することが可能である。

同様に、図４Ａおよび図４Ｂの比較からわかるように、光導波層２０の厚さｄの変化に応じて、出射角度θが大きく変わることが確認できた。後述するように、厚さｄは、例えば２つのミラーの少なくとも一方に接続されたアクチュエータによって変化させることができる。厚さｄの変化が小さくても、出射角度を大きく調整することができる。

このように、導波路素子１０から出射される光の方向を変えるためには、光導波層２０の屈折率ｎ_ｗおよび／または厚さｄを変化させればよい。これを実現するために、本実施形態における光スキャンデバイス１００は、各導波路素子１０における光導波層２０の屈折率および厚さの少なくとも一方を変化させる第１調整素子を備える。第１調整素子の構成例については、後述する。

以上のように、導波路素子１０を用いれば、光導波層２０の屈折率ｎ_ｗおよび厚さｄの少なくとも一方を変化させることで、光の出射方向を大きく変えることができる。これにより、ミラー３０から出射される光の出射角度を、導波路素子１０に沿った方向に変化させることができる。このような１次元のスキャンを実現するためには、導波路素子１０のアレイを用いる必要はなく、少なくとも１つの導波路素子１０を用いればよい。

図５は、単一の導波路素子１０によって１次元スキャンを実現する光スキャンデバイス１００の例を模式的に示す図である。この例では、Ｙ方向に広がりのあるビームスポットが形成される。光導波層２０の屈折率を変化させることにより、ビームスポットをＸ方向に沿って移動させることができる。これにより、１次元スキャンが実現される。ビームスポットがＹ方向に広がりをもつため、一軸方向のスキャンであっても、２次元的に拡がる比較的広いエリアをスキャンすることができる。２次元スキャンが不要な用途では、図５に示すような構成も採用し得る。

２次元スキャンを実現する場合には、図１に示すように、複数の導波路素子１０が配列された導波路アレイが用いられる。複数の導波路素子１０内を伝搬する光の位相が特定の条件を満たすとき、光は特定の方向に出射する。その位相の条件が変化すると、光の出射方向が導波路アレイの配列方向にも変化する。すなわち、導波路アレイを用いることにより、２次元スキャンを実現することができる。２次元スキャンを実現するためのより具体的な構成の例については後述する。

以上のように、少なくとも１つの導波路素子１０を用いて、導波路素子１０における光導波層２０の屈折率および厚さの少なくとも一方を変化させることにより、光の出射方向を変化させることができる。しかし、導波路素子１０に光を効率的に導入する構成については、改善の余地があった。本開示の実施形態における導波路素子１０は、光の全反射を利用する一般的な導波路（以下、「全反射導波路」と称することがある。）とは異なり、光導波層が一対のミラー（例えば多層反射膜）に挟まれた導波路構造（以下、「反射型導波路」と称することがある。）を備える。このような反射型導波路への光の結合については、これまでに十分に検討されてこなかった。本発明者らは、光導波層２０に光を効率的に導入するための新規な構造に想到した。

図６Ａは、空気およびミラー３０を介して間接的に光が光導波層２０に入力される構成の例（比較例）を模式的に示す断面図である。本比較例では、反射型導波路である導波路素子１０の光導波層２０対して、外部から空気およびミラー３０を介して間接的に伝播光が導入される。光導波層２０に光を導入するためには、光導波層２０の内部における導波光の反射角θ_ｗに対して、スネルの法則（ｎ_ｉｎｓｉｎθ_ｉｎ＝ｎ_ｗｓｉｎθ_ｗ）を満たす必要がある。ここで、ｎ_ｉｎは外部媒質の屈折率、θ_ｉｎは伝播光の入射角、ｎ_ｗは光導波層２０の屈折率である。この条件を考慮して入射角θ_ｉｎを調整することにより、光の結合効率を最大化することができる。さらに、この例では、第１のミラー３０の一部に多層反射膜の膜数を減らした部分が設けられている。その部分から光が入力されることで結合効率を高めることができる。しかし、このような構成では、光導波層２０の伝搬定数の変化（θ_ｗａｖの変化）に応じて、光導波層２０への光の入射角θ_ｉｎを変化させる必要が生じる。

光導波層２０の伝搬定数の変化が生じても、光が常に導波路に結合できる状態を保つために、多層反射膜の膜数を減らした部分へ角度広がりのあるビームを入射する方法がある。そのような方法の一例として、図６Ｂに示すように、導波路素子１０に、ミラー３０の法線方向に対して角度θ_ｉｎだけ傾けて配置された光ファイバー７によって、外部から空気およびミラー３０を介して間接的に光を入射した場合の結合効率について検討する。簡単のため光を光線として考える。通常のシングルモードファイバーの開口数（ＮＡ）は０．１４程度である。これは角度に換算すると約±８度である。導波路に結合する光の入射角度の範囲は、導波路から出射される光の広がり角と同程度である。出射光の広がり角θ_ｄｉｖは、以下の式（４）で表される。

ここでＬは伝搬長、λは光の波長、θ_ｏｕｔは光の出射角である。Ｌを１０μｍ以上とすると、θ_ｄｉｖは大きくても１度以下である。したがって、光ファイバー７からの光の結合効率は、１／１６×１００～６．３％以下である。さらに、光の入射角θ_ｉｎを固定し、導波路の屈折率ｎ_ｗを変化させることによって光の出射角θ_ｏｕｔを変化させたときの結合効率の変化を計算した結果を図７に示す。結合効率は、入射光のエネルギーに対する導波光のエネルギーの比を表す。図７に示す結果は、入射角θ_ｉｎを３０°、導波路膜厚を１．１２５μｍ、波長を１．５５μｍとして、結合効率を計算することによって得られた。この計算では、屈折率ｎ_ｗを１．４４～１．７８の範囲で変化させることにより、出射角θ_ｏｕｔを１０°～６５°の範囲で変化させた。図７に示すように、このような構成では、結合効率は最大でも７％に満たない。また、出射角θ_ｏｕｔを、結合効率がピークになる出射角から２０°以上変化させると、結合効率はさらに半分以下に低下する。

このように、光スキャンのために導波路の屈折率等を変化させることによって伝搬定数を変化させると、結合効率はさらに低下する。結合効率を維持するためには、伝搬定数の変化に応じて光の入射角θ_ｉｎを変化させる必要がある。しかし、光の入射角θ_ｉｎを変化させる機構を導入することは、装置構成の複雑化を招き、好ましくない。本発明者らは、屈折率または厚さを変化させる導波路を有する領域の前段に、屈折率および厚さが一定に維持される導波路を有する領域を設けることにより、光入射角を固定する事ができることに想到した。

また、異なる２つの導波路における導波光の結合を考える際に重要な要因が２点ある。１つ目は、伝搬光の伝搬定数であり、２つ目はモードの電界強度分布である。これらが２つの導波路において近いほど結合効率は高くなる。導波路における伝搬光の伝搬定数βは、簡単のため幾何光学的に考えると、β＝ｋ・ｓｉｎθ_ｗ＝（２πｎ_ｗｓｉｎθ_ｗ）／λで表される。波数をｋ、導波角度をθ_ｗ、導波層屈折率をｎ_ｗとする。全反射型の導波路では、全反射を用いて導波光を導波層に閉じ込めているため、全反射条件であるｎ_ｗｓｉｎθ_ｗ＞１を満たす。一方、スローライト導波路では、導波路の上下に存在する多層反射膜により光を導波路に閉じ込め、導波光の一部を多層反射膜越しに射出するため、ｎ_ｗｓｉｎθ_ｗ＜１となる。全反射導波路と、導波光の一部を射出するスローライト導波路では、伝搬定数は等しくなり得ない。電界強度分布について、図４９に示すような全反射導波路の電界強度分布は、図５０のような、ピークを導波路内に持ち、導波路外では単調減少する。しかし、図５１に示すようなスローライト導波路においては、電界強度分布は図５２に示すようになる。導波路内にピークを持つ事は変わらないが、導波光が誘電多層膜内において光の干渉により反射するため、図５２に示すように電界強度は誘電多層膜に深く染み出し、また振動的に変化する。以上のように、全反射導波路とスローライト導波路では、導波光の伝搬定数、電界強度分布共に大きく異なる。よって、全反射導波路とスローライト導波路を直接的に繋げることは考えられていなかった。本発明者らは、可変の屈折率および／または可変の厚さを有する光導波層に、直接的に全反射導波路を繋げることができることを発見した。

本開示は、以下の項目に記載のデバイスを含む。

［項目１］
第１の導波路と、
前記第１の導波路に繋がる第２の導波路と、
を備え、
前記第２の導波路は、
多層反射膜を有する第１のミラーと、
前記第１のミラーの前記多層反射膜に対向する多層反射膜を有する第２のミラーと、
前記第１のミラーおよび前記第２のミラーの間に位置し、前記第１の導波路に入力され前記第１の導波路を伝搬した光を伝搬させる光導波層と、
を有し、
前記第１のミラーは、前記第２のミラーよりも高い光透過率を有し、前記光導波層内を伝搬する光の一部を、前記光導波層の外部に出射し、
前記光導波層の屈折率および厚さの少なくとも一方を変化させることにより、前記第２の導波路から出射される光の方向を変化させる調整素子をさらに備える、
光スキャンデバイス。

［項目２］
前記光導波層は、電圧が印加された場合に、前記光導波層を伝搬する光に対する屈折率が変化する材料を含み、
前記調整素子は、前記光導波層に電圧を印加することにより、前記光導波層の屈折率を変化させることで、前記第２の導波路から出射される光の方向を変化させる、
項目１に記載の光スキャンデバイス。

［項目３］
前記第１の導波路は、対向する２つの多層反射膜と、前記２つの多層反射膜に挟まれた光導波層とを有する、項目１または２に記載の光スキャンデバイス。

［項目４］
前記対向する２つの多層反射膜の光透過率は、前記第１のミラーの光透過率よりも低い、項目３に記載の光スキャンデバイス。

［項目５］
前記第１の導波路の屈折率をｎ_ｗ１、前記第２の導波路における前記光導波層の屈折率をｎ_ｗ２とするとき、
｜ｎ_ｗ１－ｎ_ｗ２｜／ｎ_ｗ１＜０．４
である、項目１から４のいずれかに記載の光スキャンデバイス。

［項目６］
前記第２の導波路における前記光導波層の屈折率をｎ_ｗ２、前記第２の導波路における前記光導波層の厚さをｄ_２、前記第１の導波路に入力される光の波長をλとするとき、
０．９５×ｍλ／（２ｎ_ｗ２）＜ｄ_２＜１．５×ｍλ／（２ｎ_ｗ２）
を満たす、項目１から５のいずれかに記載の光スキャンデバイス。

［項目７］
前記第１の導波路は、前記第１の導波路に入力された光を全反射によって伝搬させ、
１．２×ｍλ／（２ｎ_ｗ２）＜ｄ_２＜１．５×ｍλ／（２ｎ_ｗ２）
をさらに満たす、項目１から６のいずれかに記載の光スキャンデバイス。

［項目８］
前記第１の導波路の屈折率をｎ_ｗ１、前記第２の導波路における前記光導波層の屈折率をｎ_ｗ２とするとき、ｎ_ｗ１＞ｎ_ｗ２である、項目１から７のいずれかに記載の光スキャンデバイス。

［項目９］
前記第２の導波路における前記光導波層は、ギャップを介して前記第１の導波路に繋がり、
前記第１の導波路に入力される光の波長をλとするとき、
前記ギャップの屈折率と前記ギャップの幅との積は、λ／６．５以下である、
項目１から８のいずれかに記載の光スキャンデバイス。

［項目１０］
前記第１の導波路の厚さ方向の中心と、前記第２の導波路の厚さ方向の中心とのずれの大きさをΔｚとし、前記第１の導波路における光導波層の厚さと前記第２の導波路における前記光導波層の厚さとの差をΔｄとするとき、
－Δｄ／２＜Δｚ＜Δｄ／２
を満たす、項目１から９のいずれかに記載の光スキャンデバイス。

［項目１１］
前記第１の導波路は、対向する２つの多層反射膜と、前記２つの多層反射膜に挟まれた光導波層とを有し、
前記２つの多層反射膜の一方は、隣接する部位よりも膜厚が薄い箇所を有し、
前記光導波層は、前記箇所に入射した光を伝搬させ、前記第２の導波路における前記光導波層の端面に入力する、
項目１から１０のいずれかに記載の光スキャンデバイス。

［項目１２］
前記第１の導波路は、表面の一部にグレーティングを有し、前記グレーティングに入射した光を伝搬させ、前記第２の導波路における前記光導波層の端面に入力する、
項目１から１０のいずれかに記載の光スキャンデバイス。

［項目１３］
前記第１の導波路は、前記第１の導波路の端面から入射した光を伝搬させ、前記第２の導波路における前記光導波層の端面に入力する、
項目１から１０のいずれかに記載の光スキャンデバイス。

［項目１４］
前記第１の導波路に繋がり、外部から入射した光を伝搬させて前記第１の導波路に入力する第３の導波路をさらに備える、項目１から１０のいずれかに記載の光スキャンデバイス。

［項目１５］
前記第１の導波路は、対向する２つの多層反射膜と、前記２つの多層反射膜に挟まれた光導波層とを有し、
前記第３の導波路は、全反射によって光を伝搬させて前記第１の導波路に前記光を入力する、項目１４に記載の光スキャンデバイス。

［項目１６］
前記第３の導波路は、表面の一部にグレーティングを有し、前記グレーティングに入射した光を伝搬させ、前記第１の導波路の端面に入力する、
項目１４または１５に記載の光スキャンデバイス。

［項目１７］
前記第３の導波路は、前記第３の導波路の端面から入射した光を伝搬させ、前記第１の導波路の端面に入力する、
項目１４または１５に記載の光スキャンデバイス。

［項目１８］
第１の方向に配列された複数の導波路ユニットを備え、
前記複数の導波路ユニットの各々は、
第１の導波路と、
前記第１の導波路に繋がり、前記第１の方向に交差する第２の方向に光を伝搬させる第２の導波路と、
を有し、
前記第２の導波路は、
多層反射膜を有する第１のミラーと、
前記第１のミラーの前記多層反射膜に対向する多層反射膜を有する第２のミラーと、
前記第１のミラーおよび前記第２のミラーの間に位置し、前記第１の導波路に入力され前記第１の導波路を伝搬した光を伝搬させる光導波層と、
を有し、
前記第１のミラーは、前記第２のミラーよりも高い光透過率を有し、前記光導波層内を伝搬する光の一部を、前記光導波層の外部に出射し、
各第２の導波路における前記光導波層の屈折率および厚さの少なくとも一方を変化させることにより、各第２の導波路から出射される光の方向を変化させる第１調整素子をさらに備える、
光スキャンデバイス。

［項目１９］
前記複数の導波路ユニットにおける前記第１の導波路から前記第２の導波路へ伝搬する光の位相の差を調整することにより、各第２の導波路から出射される光の方向を変化させる第２調整素子をさらに備える、項目１８に記載の光スキャンデバイス。

［項目２０］
前記複数の導波路ユニットにおける前記第１の導波路にそれぞれ接続された導波路を有する複数の位相シフタをさらに備え、
各位相シフタにおける前記導波路は、電圧の印加または温度変化に応じて屈折率が変化する材料を含み、
前記第２調整素子は、各位相シフタにおける前記導波路に電圧を印加する、または前記導波路の温度を変化させることにより、前記導波路内の屈折率を変化させ、前記複数の位相シフタから前記複数の導波路素子に伝搬する光の位相の差をそれぞれ変化させる、
項目１９に記載の光スキャンデバイス。

［項目２１］
各第２の導波路から出射する光の波数ベクトルの、前記第２の方向の成分をＸ成分、前記第１の方向の成分をＹ成分とするとき、
前記第１調整素子は、前記波数ベクトルのＸ成分を変化させ、
前記第２調整素子は、前記波数ベクトルのＹ成分を変化させる、
項目１９または２０に記載の光スキャンデバイス。

［項目２２］
自由空間における波長がλの光を出射する光源と、
前記光源からの前記光を分岐して前記複数の位相シフタにおける前記導波路に導入する光分岐器と、
をさらに備える、項目１９から２０のいずれかに記載の光スキャンデバイス。

［項目２３］
第１の導波路と、
前記第１の導波路に繋がる第２の導波路と、
を備え、
前記第２の導波路は、
多層反射膜を有する第１のミラーと、
前記第１のミラーの前記多層反射膜に対向する多層反射膜を有する第２のミラーと、
前記第１のミラーおよび前記第２のミラーの間に位置し、光を伝搬させる光導波層と、を有し、
前記第１のミラーは、前記第２のミラーよりも高い光透過率を有し、前記第１のミラーに入射した光の一部を、前記光導波層内に導入し、
前記第１のミラーから前記光導波層に入射した光の一部は、前記第１の導波路に入力され、
前記光導波層の屈折率および厚さの少なくとも一方を変化させる調整素子をさらに備える、
光受信デバイス。

［項目２４］
項目１から２２のいずれかに記載の光スキャンデバイスと、
前記光スキャンデバイスから出射され、対象物から反射された光を検出する光検出器と、
前記光検出器の出力に基づいて、距離分布データを生成する信号処理回路と、
を備えるライダーシステム。

［項目２５］
第１の方向に配列され、各々が前記第１の方向に交差する第２の方向に光を伝搬させる複数の導波路素子を含む導波路アレイであって、前記複数の導波路素子から、前記第１および第２の方向によって形成される平面に交差する第３の方向に光を出射する、導波路アレイと、
前記複数の導波路素子から出射される光の前記第３の方向を変化させる第１調整素子と、
を備え、
前記複数の導波路素子のそれぞれは、
前記第３の方向に交差する反射面を有する第１のミラーであって、前記第２の方向に延びる第１のミラーと、
前記第１のミラーの前記反射面に対向する反射面を有し、前記第２の方向に延びる第２のミラーと、
前記第１のミラーおよび前記第２のミラーの間に位置し、前記第２の方向に光を伝搬させる光導波層と、
を有し、
前記第１のミラーは、前記第２のミラーよりも高い光透過率を有し、前記光導波層内を伝搬する光の一部を、前記光導波層の外部に出射し、
前記第１調整素子は、各導波路素子における前記光導波層の屈折率および厚さの少なくとも一方を変化させることにより、前記複数の導波路素子から出射される光の前記第３の方向を変化させる、
光スキャンデバイス。

［項目２６］
前記第３の方向に出射する光の波数ベクトルの、前記第２の方向の成分をＸ成分、前記第１の方向の成分をＹ成分とするとき、
前記第１調整素子は、各導波路素子における前記光導波層の前記屈折率および前記厚さの少なくとも一方を変化させることにより、前記波数ベクトルのＸ成分を変化させ、
前記複数の導波路素子のうちの隣接する２つの導波路素子に供給される光の位相差が変化した場合に、前記波数ベクトルのＹ成分が変化する、
項目２５に記載の光スキャンデバイス。

［項目２７］
前記第１の方向および前記第２の方向は直交する、項目２５または２６に記載の光スキャンデバイス。

［項目２８］
前記複数の導波路素子は、前記第１の方向に等間隔に配列されている、項目２５から２７のいずれかに記載の光スキャンデバイス。

［項目２９］
前記複数の導波路素子のうちの隣接する２つの導波路素子の前記第１の方向における中心間距離をｐとし、
各導波路素子における前記光導波層を伝搬する光の自由空間における中心波長をλとするとき、
λ／２≦ｐ≦λ／ｓｉｎ１０^ｏ
の関係を満たす、項目２５から２８のいずれかに記載の光スキャンデバイス。

［項目３０］
前記第１および第２のミラーの少なくとも一方は、誘電体多層膜を含む、項目２５から２９のいずれかに記載の光スキャンデバイス。

［項目３１］
前記複数の導波路素子にそれぞれ接続された複数の位相シフタであって、それぞれが、前記複数の導波路素子の対応する１つにおける前記光導波層に直接的にまたは他の導波路を介して繋がる導波路を含む複数の位相シフタと、
前記複数の位相シフタから前記複数の導波路素子へ伝搬する光の位相の差をそれぞれ変化させることにより、前記複数の導波路素子から出射される光の前記第３の方向を変化させる第２調整素子と、
をさらに備える、項目２５から３０のいずれかに記載の光スキャンデバイス。

［項目３２］
各位相シフタにおける前記導波路は、電圧の印加または温度変化に応じて屈折率が変化する材料を含み、
前記第２調整素子は、各位相シフタにおける前記導波路に電圧を印加する、または前記導波路の温度を変化させることにより、前記導波路内の屈折率を変化させ、前記複数の位相シフタから前記複数の導波路素子に伝搬する光の位相の差をそれぞれ変化させる、
項目３１に記載の光スキャンデバイス。

［項目３３］
前記第３の方向に伝搬する光の波数ベクトルの、前記第２の方向の成分をＸ成分、前記第１の方向の成分をＹ成分とするとき、
前記第１調整素子は、前記波数ベクトルのＸ成分を変化させ、
前記第２調整素子は、前記波数ベクトルのＹ成分を変化させる、
項目３１または３２に記載の光スキャンデバイス。

［項目３４］
前記複数の位相シフタは、前記第２の方向に関して、前記複数の導波路素子の両側に位置している、項目３１から３３のいずれかに記載の光スキャンデバイス。

［項目３５］
自由空間における波長がλの光を出射する光源と、
前記光源からの前記光を分岐して前記複数の位相シフタにおける前記導波路に導入する光分岐器と、
をさらに備える、項目３１から３４のいずれかに記載の光スキャンデバイス。

［項目３６］
前記複数の位相シフタの各々は、
前記第３の方向に交差する反射面を有する第５のミラーであって、前記第２の方向に延び、前記複数の導波路素子の対応する１つにおける前記第１のミラーに接続された第５のミラーと、
前記第３のミラーの前記反射面に対向する反射面を有し、前記第２の方向に延び、前記複数の導波路素子の対応する前記１つにおける前記第２のミラーに接続された第６のミラーと、
を有し、
各位相シフタにおける前記導波路は、前記複数の導波路素子の対応する前記１つにおける前記光導波路に直接的に繋がり、
前記第５および第６のミラーの光透過率は、前記第１のミラーの光透過率よりも低い、項目３１から３５のいずれかに記載の光スキャンデバイス。

［項目３７］
各導波路素子における前記光導波層は、電圧が印加された場合に、前記光導波層を伝搬する光に対する屈折率が変化する材料を含み、
前記第１調整素子は、前記光導波層を挟む一対の電極を有し、前記一対の電極に電圧を印加することにより、前記光導波層の屈折率を変化させる、
項目２５から３６のいずれかに記載の光スキャンデバイス。

［項目３８］
各導波路素子における前記光導波層は、半導体材料を含み、
前記一対の電極の一方、または前記電極の前記一方と前記光導波層との間には、ｐ型半導体が含まれ、
前記一対の電極の他方、または前記電極の前記他方と前記光導波層との間には、ｎ型半導体が含まれ、
前記第１調整素子は、前記一対の電極に電圧を印加することにより、前記半導体材料にキャリアを注入し、前記光導波層の屈折率を変化させる、
項目３７に記載の光スキャンデバイス。

［項目３９］
各導波路素子における前記光導波層は、電気光学材料を含み、
前記第１調整素子は、前記一対の電極に電圧を印加することにより、前記電気光学材料の屈折率を変化させる、
項目３７に記載の光スキャンデバイス。

［項目４０］
各導波路素子における前記光導波層は、液晶材料を含み、
前記第１調整素子は、前記一対の電極に電圧を印加することにより、前記液晶材料の屈折率異方性を変化させ、前記光導波層の屈折率を変化させる、
項目３７に記載の光スキャンデバイス。

［項目４１］
各導波路素子における前記光導波層は、温度変化に伴って屈折率が変化する熱光学材料を含み、
前記第１調整素子は、前記光導波層を挟む一対の電極を有し、前記一対の電極に電圧を印加して前記熱光学材料を加熱することにより、前記光導波層の屈折率を変化させる、
項目２５から３６のいずれかに記載の光スキャンデバイス。

［項目４２］
各導波路素子における前記光導波層は、温度変化に伴って屈折率が変化する熱光学材料を含み、
前記第１調整素子は、前記光導波層に接触してまたは前記光導波層の近傍に配置されたヒーターを有し、
前記ヒーターによって前記熱光学材料を加熱することにより、前記光導波層の屈折率を変化させる、
項目２５から３６のいずれかに記載の光スキャンデバイス。

［項目４３］
各導波路素子における前記光導波層は、気体または液体の材料を含み、
前記第１調整素子は、各導波路素子における前記第１のミラーおよび前記第２のミラーの少なくとも一方に接続されたアクチュエータを有し、
前記アクチュエータは、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの距離を変化させることにより、前記光導波層の厚さを変化させる、
項目２５から３６のいずれかに記載の光スキャンデバイス。

［項目４４］
前記アクチュエータは、一対の電極を有し、
前記一対の電極の一方は前記第１のミラーに固定され、
前記一対の電極の他方は前記第２のミラーに固定され、
前記一対の電極に電圧を印加することにより、電極間に静電気力を発生させ、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの距離を変化させる、
項目４３に記載の光スキャンデバイス。

［項目４５］
前記アクチュエータは、圧電材料を含み、前記圧電材料を変形させることにより、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの距離を変化させる、
項目４３に記載の光スキャンデバイス。

［項目４６］
前記アクチュエータは、各導波路素子における前記第１のミラーまたは前記第２のミラーを支持する支持部材を有し、前記支持部材を移動させることにより、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの距離を変化させる、項目４３に記載の光スキャンデバイス。

［項目４７］
各導波路素子における前記第１のミラーおよび前記第２のミラーの少なくとも一方は、１つのプレート状のミラーの部分であり、
前記アクチュエータは、前記プレート状のミラーを移動させることにより、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの距離を変化させる、項目４３に記載の光スキャンデバイス。

［項目４８］
各導波路素子における前記第１のミラーおよび前記第２のミラーの少なくとも一方は、１つのプレート状のミラーの部分である、項目２５から４６のいずれかに記載の光スキャンデバイス。

［項目４９］
第１の方向に配列され、各々が前記第１の方向に交差する第２の方向に光を伝搬させる複数の導波路素子を含み、前記第１および第２の方向の両方に交差する第３の方向から前記複数の導波路素子に入射した光を、前記第２の方向に伝搬させる導波路アレイと、
受信可能な光の方向を調整する第１調整素子と、
を備える光受信デバイスであって、
前記複数の導波路素子のそれぞれは、
前記第３の方向に交差する反射面を有し、前記第２の方向に延びる第１のミラーと、
前記第１のミラーの前記反射面に対向する反射面を有し、前記第２の方向に延びる第２のミラーと、
前記第１のミラーおよび前記第２のミラーの間に位置し、前記第２の方向に光を伝搬させる光導波層と、
を有し、
前記第１調整素子は、各導波路素子における前記光導波層の屈折率および厚さの少なくとも一方を変化させることにより、受信可能な光の方向を変化させる、
光受信デバイス。

［項目５０］
前記複数の導波路素子にそれぞれ接続された複数の位相シフタであって、それぞれが、前記複数の導波路素子の対応する１つにおける前記光導波層に直接的にまたは他の導波路を介して繋がる導波路を含む複数の位相シフタと、
前記複数の導波路素子から前記複数の位相シフタを通過して出力される光の位相の差をそれぞれ変化させることにより、受信可能な光の方向を変化させる第２調整素子と、
をさらに備える、項目４９に記載の光受信デバイス。

［項目５１］
前記複数の導波路素子に入射する光の波数ベクトルの、前記第２の方向の成分をＸ成分、前記第１の方向の成分をＹ成分とするとき、
前記第１調整素子は、受信可能な光の波数ベクトルのＸ成分を変化させ、
前記第２調整素子は、受信可能な光の波数ベクトルのＹ成分を変化させる、
項目４９または５０に記載の光受信デバイス。

［項目５２］
項目２５から４８のいずれかに記載の光スキャンデバイスと、
前記光スキャンデバイスから出射され、対象物から反射された光を検出する光検出器と、
前記光検出器の出力に基づいて、距離分布データを生成する信号処理回路と、
を備えるライダー（ＬｉＤＡＲ）システム。

本開示の実施形態における光スキャンデバイスは、第１の導波路と、前記第１の導波路に繋がる第２の導波路とを備える。前記第２の導波路は、多層反射膜を有する１のミラーと、前記第１のミラーの前記多層反射膜に対向する多層反射膜を有する第２のミラーと、前記第１のミラーおよび前記第２のミラーの間に位置し、前記第１の導波路に入力され前記第１の導波路を伝搬した光を伝搬させる光導波層と、を有する。前記第１のミラーは、前記第２のミラーよりも高い光透過率を有し、前記光導波層内を伝搬する光の一部を、前記光導波層の外部に出射する。光スキャンデバイスは、前記光導波層の屈折率および厚さの少なくとも一方を変化させることによって出射光の方向を変化させる調整素子をさらに備える。

上記態様における「第２の導波路」は、前述の実施形態における「導波路素子」に相当する。本開示の実施形態では、第２の導波路の前段に、屈折率も厚さも一定に維持される第１の導波路が設けられ、第１の導波路に光が入力される。第１の導波路は、入力された光を伝搬させ、第２の導波路の端面から入力する。第１の導波路と第２の導波路とは、例えば、端面同士が直接接続されていてもよいし、端面間にギャップがあってもよい。本明細書において「第１の導波路と第２の導波路とが繋がる」とは、第１の導波路と第２の導波路との間で光の授受が可能な態様で両者が位置していることを意味する。「第１の導波路と第２の導波路とが繋がる」形態は、第１の導波路と第２の導波路とが直接接続されている（すなわち接触している）形態だけでなく、伝搬する光の波長よりも十分に短いギャップを介して両者が配置されている形態も含む。また、本開示で、ＡがＢに「直接的に繋がる」とは、ＡとＢの間で光の授受が可能なように、Ａの何れかの部分とＢの何れかの部分とがギャップなしに接触することをいう。

上記構成によれば、第１の導波路を第２の導波路（導波路素子）の前段に設けることにより、第１の導波路に入射する光の入射角を一定に維持しても、スキャンによる結合効率の低下（すなわちエネルギのロス）を抑制することができる。

さらに、第１の導波路の前段に第３の導波路が設けられていてもよい。そのような第３の導波路は、第１の導波路に繋がり、第３の導波路を伝搬した光を、第１の導波路に入力する。ある実施形態において、第３の導波路は全反射導波路であり、第２の導波路は反射型導波路であり得る。

本開示において、「光」とは、可視光（波長が約４００ｎｍ～約７００ｎｍ）だけでなく、紫外線（波長が約１０ｎｍ～約４００ｎｍ）および赤外線（波長が約７００ｎｍ～約１ｍｍ）を含む電磁波を意味する。本明細書において、紫外線を「紫外光」と称し、赤外線を「赤外光」と称することがある。

本開示において、光による「スキャン」とは、光の方向を変化させることを意味する。「１次元スキャン」とは、光の方向を、当該方向に交差する方向に沿って直線的に変化させることを意味する。「２次元スキャン」とは、光の方向を、当該方向に交差する平面に沿って２次元的に変化させることを意味する。

以下、本開示の実施形態をより具体的に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明および実質的に同一の構成に対する重複する説明を省略することがある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。以下の説明において、同一または類似する構成要素については、同じ参照符号を付している。

（実施形態）
図８は、本開示の例示的な実施形態における光スキャンデバイスの構造の一部を模式的に示す断面図である。この光スキャンデバイスは、導波路１と、第１の導波路に繋がる第２の導波路（導波路素子）１０とを備える。導波路１０は、多層反射膜を有する第１のミラー３０と、第１のミラー３０の多層反射膜に対向する多層反射膜を有する第２のミラー４０と、第１のミラー３０および第２のミラー４０の間に位置する光導波層２０とを有する。導波路１は、入力された光を導波方向に伝搬させる。光導波層２０は、導波路１に入力され導波路１を伝搬した光を伝搬させる。光導波層２０は、導波路１の導波方向と同じ方向に光を伝搬させる。第１のミラー３０は、第２のミラー４０よりも高い光透過率を有し、光導波層２０内を伝搬する光の一部を、光導波層２０の外部に出射する。図８には示されていないが、光スキャンデバイス１００は、光導波層２０の屈折率および厚さの少なくとも一方を変化させる調整素子をさらに備える。光導波層２０は、例えば、電圧が印加された場合に、光導波層２０を伝搬する光に対する屈折率が変化する材料を含む。調整素子は、光導波層２０に電圧を印加することにより、光導波層２０の屈折率を変化させることで、導波路１０から出射される光の方向を変化させる。

導波路１は、対向する２つの多層反射膜３、４と、２つの多層反射膜３、４に挟まれた光導波層２とを有する。導波路１における多層反射膜３、４は、導波光をロスなく伝えるために、導波路１０における光出射側の多層反射膜（第１のミラー３０）よりも高い反射率（低い透過率）をもつことが望ましい。よって、多層反射膜３、４の膜厚は、第１のミラー３０における膜厚よりも大きいことが望ましい。導波路１の屈折率、すなわち、導波路１における光導波層２の屈折率は、変化しない又は光導波層２０の屈折率と異なる量変化する。また、光導波層２の厚さは、変化しない又は光導波層２０の厚さと異なる量変化する。導波路１は、導波路１０における光導波層２０に直接的に繋がっている。例えば、導波路１における光導波層２の端面は、導波路１０における光導波層２０の端面に接続されている。この例における多層反射膜３は、隣接する部位よりも膜厚が薄い（すなわち反射率が低い）箇所３ａを有する。この箇所３ａ（「光入力部３ａ」とも称する。）から光が入力される。このように反射率の低い領域から光を入力することにより、効率よく光導波層２に光を導入することができる。光導波層２は、光入力部３ａに入射した光を伝搬させ、導波路１０における光導波層２０の端面に入力する。これにより、光導波層２から光導波層２０へ光を伝搬させ、ミラー３０から出射することができる。

導波路１０においては、光を出射する必要があることから、第１のミラー３０の多層反射膜の反射率は、第２のミラー４０の多層反射膜の反射率よりも低い。導波路１においては、光を出射させないようにするために、多層反射膜３、４の反射率が、第２のミラー４０の反射率と同程度の大きさに設計されている。

このような構造により、光スキャンデバイスは、後述するように、光を効率よく導波路１０から出射することができる。

図９は、光スキャンデバイスの構造の他の例を模式的に示す断面図である。この例では、導波路１が、多層反射膜３、４を有していない。導波路１は、全反射によって光を伝搬させる。導波路１は、表面の一部にグレーティング５を有している。グレーティング５を介して光が入力される。この例では、グレーティング５が設けられている箇所が、光入力部として機能する。グレーティング５を設けることにより、光を導波路１内に導入することが容易になる。この例のように多層反射膜３、４がない場合は、導波角度θ_ｗ１が全反射条件を満たすように設計される。この場合も、導波路１の屈折率は、変化しない又は光導波層２０と異なる量変化する。また、導波路１の厚さ、すなわち、光導波層２の厚さは、変化しない又は光導波層２０の厚さと異なる量変化する。また、導波路１は、導波路１０における光導波層２０に直接的に繋がっている。また、光導波層２０は、導波路１の導波方向と同じ方向に光を伝搬させる。

図１０は、光スキャンデバイスの構造のさらに他の例を模式的に示す断面図である。この例における光スキャンデバイスは、導波路１に繋がる導波路１’をさらに備えている。導波路１は、反射型導波路であり、対向する２つの多層反射膜３、４と、その間の光導波層２とを有する。一方、導波路１’は、全反射によって光を伝搬させる全反射導波路である。導波路１’の屈折率は、変化しない又は光導波層２０と異なる量変化する。また、導波路１’の厚さ、すなわち、光導波層２’の厚さは、変化しない又は光導波層２０の厚さと異なる量変化する。また、導波路１’は、導波路１０における光導波層２０に直接的に繋がっている。また、光導波層２０は、導波路１’の導波方向と同じ方向に光を伝搬させる。導波路１’は、図９の例における導波路１と同様、表面の一部にグレーティング５’を有している。グレーティング５’を介して光源からの光が導波路１’内に入力される。この例では、グレーティング５’が設けられている箇所が光入力部として機能する。導波路１０における光導波層２０は、不図示の調整素子（変調素子）によって屈折率または厚さが変調される。一方、導波路１については、そのような変調機能はない。導波路１からの光の出射を抑えるために、導波路１の反射ミラー（多層反射膜３、４）の反射率は、導波路１０の第１のミラー３０の反射率よりも高く設定されている。導波路１０における第１のミラー３０の反射率は、第２のミラー４０の反射率よりも低く設定されている。このような構成により、導波路１’に入力された光は、導波路１’および導波路１を伝搬して導波路１０に入力される。当該光は、導波路１０の光導波層２０をさらに伝搬しながら、第１のミラー３０を介して外部に出射される。

図１１および図１２Ａから図１２Ｃは、導波路１に光が入力される構成において、導波路１への光の入力方法の例を示す図である。図１１は、図８に示す例のように、２つの多層反射膜で挟まれた光導波層２への光の入射の一例を示している。図示されるように、多層反射膜の膜厚の薄い箇所（反射率の低い箇所）３ａに光を入射することにより、効率よく光を光導波層２に導入することができる。図１２Ａは、図９に示す例のように、導波路１の表面に設けられたグレーティング５を介して導波路１に光が導入される例を示している。図１２Ｂは、導波路１の端面から光が入力される例を示している。図１２Ｃは、導波路１の表面に設けられたレーザー光源６から、当該表面を介して光が入力される例を示している。図１２Ｃのような構成は、例えば、Ｍ． Ｌａｍｐｏｎｉ ｅｔ ａｌ．， “Ｌｏｗ－Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓｌｙ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ＩｎＰ／ＳＯＩ Ｌａｓｅｒｓ Ｗｉｔｈ ａ Ｄｏｕｂｌｅ Ａｄｉａｂａｔｉｃ Ｔａｐｅｒ Ｃｏｕｐｌｅｒ”， ＩＥＥＥ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＬＥＴＴＥＲＳ， ＶＯＬ． ２４， ＮＯ． １， ＪＡＮＵＡＲＹ １， ２０１２， ｐｐ ７６－７８．に開示されている。この文献の開示内容全体を本願明細書に援用する。以上の構成によれば、効率よく光を導波路１に入射させることができる。

図１１から図１２Ｃに示す光の入力方法は、いずれも、図１０に示す導波路１’を用いる構成においても適用できる。図１０に示す例では、導波路１’の表面の一部にグレーティング５’が設けられているが、グレーティング５’が設けられていなくてもよい。例えば図１２Ｂまたは図１２Ｃに示す光の入力方法を導波路１’に適用することができる。図１２Ｂに示す光の入力方法を導波路１’に適用する場合、導波路１’は、導波路１’の端面から入射した光を伝搬させ、導波路１の端面に入力する。図１２Ｃに示す光の入力方法を導波路１’に適用する場合、導波路１’の表面に設けられたレーザー光源から、当該表面を介して光が入力される。導波路１’は、入力された光を伝搬させ、導波路１の端面に入力する。また、導波路１’が全反射導波路である必要はなく、図１１に示すような反射型導波路であってもよい。

図８、９に示すように、導波路１の光導波層２の屈折率をｎ_ｗ１、導波路１０の光導波層２０の屈折率をｎ_ｗ２、導波路１０からの光の出射角をθ、導波路１における導波光の反射角をθ_ｗ１、導波路１０における導波光の反射角をθ_ｗ２とする。また、図１０に示すように、導波路１’における光導波層２’の屈折率をｎ_ｗ３、導波路１’における導波光の反射角をθ_ｗ３とする。本実施形態では、導波路１０から光を外部（例えば、屈折率１の空気層）に取り出すために、ｎ_ｗ２ｓｉｎθ_ｗ２＝ｓｉｎθ＜１が満足される。

＜導波光結合の原理＞
以下、図８、９を参照しながら、導波路１、１０間の導波光の結合の原理を説明する。簡単のため、導波路１、１０内を伝搬する光を近似的に光線であると考える。導波路１０の上下の多層反射膜と光導波層２０との界面、および導波路１の上下の多層反射膜と光導波層２との界面（または、光導波層２と外部媒質との界面）で、光が完全に反射されると仮定する。導波路１における光導波層２の厚さをｄ_１、導波路１０における光導波層２０の厚さをｄ_２とする。導波路１、１０のそれぞれにおいて、伝播光が存在する条件は、以下の式（５）、（６）で表される。
２ｄ_１ｎ_ｗ１ｃｏｓθ_ｗ１＝ｍλ （５）
２ｄ_２ｎ_ｗ２ｃｏｓθ_ｗ２＝ｍλ （６）
ここで、λは光の波長、ｍは１以上の整数である。

導波路１、１０の界面について、スネルの法則を考慮すると、式（７）が成立する。
ｎ_ｗ１ｓｉｎ（９０°－θ_ｗ１）＝ｎ_ｗ２ｓｉｎ（９０°－θ_ｗ２） （７）

式（７）を変形すると、次の式（８）が得られる。
ｎ_ｗ１ｃｏｓθ_ｗ１＝ｎ_ｗ２ｃｏｓθ_ｗ２ （８）

式（５）および（８）が成立するとき、ｄ_１とｄ_２とが等しい場合には、ｎ_ｗ２が変化した場合においても式（６）は成立する。つまり、光導波層２０の屈折率が変化した場合においても、光導波層２から光導波層２０に光が効率よく伝搬するということとなる。

上式の導出に際しては簡単のため光を光線として考えたが、実際には厚さｄ_１、ｄ_２が波長λと同程度（長くとも波長の１０倍以下）であるため、導波光は波動性を有する。したがって、厳密には、上記の屈折率ｎ_ｗ１、ｎ_ｗ２として、光導波層２、２０の材料の屈折率ではなく、有効屈折率を考慮する必要がある。また、光導波層２の厚さｄ_１と光導波層２０の厚さｄ_２とが同一ではない場合、または厳密に式（８）を満たしていない場合においても光は光導波層２から光導波層２０へ導波され得る。これは、光導波層２から光導波層２０への光の伝達が近接場を通じて行われるからである。すなわち、光導波層２の電場分布と光導波層２０における電場分布の重なりがあれば、光導波層２から光導波層２０へ光が伝達される。

以上の議論は、図１０に示す例における導波路１’と導波路１との間の導波光についても同様に成立する。

＜計算結果＞
本実施形態の効果を確認するため、本発明者らは、条件を様々に変えて、光の結合効率を計算した。計算には、Ｐｈｏｔｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ社のＦＩＭＭＷＡＶＥを用いた。

まず、図８に示すように、導波路１、１０共に多層反射膜に挟まれている構成について、結合効率を計算した。以下の計算では、導波路１から導波路１０に伝搬する光のモードの次数は、ｍ＝２であるが、導波路１と導波路１０の光のモードの次数が同じであれば、同様の原理により光は結合する。このため、光のモードの次数はｍ＝２に限らない。

図１３は、ｎ_ｗ１を１．４５、ｄ_１を１．２７μｍ、波長λを１．５５μｍとした場合の導波路１から導波路１０への導波光の結合効率のｄ_２依存性を示している。横軸は、ｄ_２を、導波光を光線と仮定した場合のカットオフ膜厚ｄ_{ｃｕｔｏｆｆ}（＝ｍλ／（２ｎ_ｗ２））で割った値である。縦軸は、ピーク値を１として規格化された結合効率である。計算は、導波光が存在できなくなるカットオフ条件を満たす下限値から、光が外部に射出される上限値まで行った。また、ｎ_ｗ２が１．３、１．６、１．９、２．２、２．５のそれぞれの場合について計算を行った。導波路１における厚さ方向の中心と、導波路１０における厚さ方向の中心とは同一とした。図１３に示す結果から、ｄ_２／ｄ_{ｃｕｔｏｆｆ}が大きいほど結合効率が高くなることがわかる。ｄ_２／ｄ_{ｃｕｔｏｆｆ}が小さくなるに従い、モードが存在できなくなり、結合効率は低下する。

図１４は、ｎ_ｗ１を３．４８、ｄ_１を０．５μｍに変更して同様の方法で行った計算の結果を示している。この場合も、導波路１から導波路１０に伝搬する光のモードの次数は、ｍ＝２であるが、前述のとおり光のモードの次数はｍ＝２に限らない。図１４からわかるように、ｄ_２／ｄ_{ｃｕｔｏｆｆ}が大きいほど結合効率が高く、ｄ_２／ｄ_{ｃｕｔｏｆｆ}が小さくなるに従い、モードが存在できなくなり、結合効率は低下する。

図１３および図１４において、ｄ_２／ｄ_{ｃｕｔｏｆｆ}が１よりも低い値においてもモードが存在している（すなわち導波光が結合している）のは、多層反射膜によって反射される際の光の染み出しに起因して、光導波層２の有効厚さがｄ_２よりも厚くなるからである。ｄ_２の上限については、光が外部に出射しなくなる値である。この値は、導波光を光線として考え、各導波路の上下の多層反射膜が光を導波路との界面において完全に反射させると仮定すると、導波光の反射角が大気に対し全反射角度になるときのｄ_２である。このとき、次の式（９）が満たされる。
ｎ_ｗ２ｓｉｎθ_ｗ２＝１ （９）

式（６）、式（９）、およびｄ_{ｃｕｔｏｆｆ}＝ｍλ／（２ｎ_ｗ２）より、次の式（１０）が成立する。
ｄ_２／ｄ_{ｃｕｔｏｆｆ}＝ｎ_ｗ２／√（ｎ_ｗ２ ^２－１） （１０）

多層反射膜で反射される際の光の染み出しに起因して、導波光の有効屈折率がｎ_ｗ２よりも低くなる。そのため、式（６）よりもｄ_２の上限値は大きくなる。

本実施形態の構成において、図６Ｂに示す構成よりも結合効率が高くなることが好ましい。例えば結合効率が図７に示すピーク値よりも高い７％以上であるという条件を課すと、図１３、１４の結果より、
０．９５×ｄ_{ｃｕｔｏｆｆ}＜ｄ_２＜１．５×ｄ_{ｃｕｔｏｆｆ}
（０．９５×ｍλ／（２ｎ_ｗ２）＜ｄ_２＜１．５×ｍλ／２ｎ_ｗ２））
であればよい。

図１５は、横軸をｄ_２／ｄ_{ｃｕｔｏｆｆ}、縦軸を屈折率比（｜ｎ_ｗ１－ｎ_ｗ２｜／ｎ_ｗ１）とし、結合効率が０．５以上になる場合と、結合効率が０．５未満になる場合とを分類した図である。結合効率が０．５（５０％）以上という条件を課す場合、屈折率比が０．４よりも小さく、０．９５×ｄ_{ｃｕｔｏｆｆ}＜ｄ_２＜１．５×ｄ_{ｃｕｔｏｆｆ}であればよい。

本実施形態においては、導波路１の屈折率ｎ_ｗ１は、導波路１０の屈折率ｎ_ｗ２よりも大きい（ｎ_ｗ１＞ｎ_ｗ２）。しかし、本開示はこのような構成に限定されず、ｎ_ｗ１≦ｎ_ｗ２であってもよい。

図１６は、導波路１における光導波層２の厚さ方向の中心と、導波路１０における光導波層２０の厚さ方向の中心とがΔｚだけずれた構成を示す図である。Δｚの正負は、図１６に示すように、導波路１０の光導波層２０の厚さ方向の中心線が、導波路１の光導波層２の厚さ方向の中心線よりも光放射側（第１のミラー３０の側）にあるときを正とする。導波路１の光導波層２の厚さｄ１と導波路１０の光導波層２０の厚さｄ２との差（絶対値）をΔｄとする。Δｚ＝Δｄ／２のとき、導波路１の光導波層２の下部（光放射側とは反対の側）と導波路１０の光導波層２０の下部のＺ方向の位置が一致する。

図１７は、導波路１から導波路１０への光の結合効率のΔｚ依存性を示す図である。図１７の結果は、ｎ_ｗ１を２．２、波長λを１．５５μｍ、ｎ_ｗ２を２．２、Δｄを０．１２μｍとして、Δｚを変えて結合効率を計算することによって得られた。図１７に示す結合効率は、Δｚ＝０の場合の値で規格化されている。光導波層２、２０の厚さ方向の中心線がＺ方向にずれている場合、結合効率はΔｚがゼロ（０）の場合よりも低くなる。しかし、－Δｄ／２＜Δｚ＜Δｄ／２の場合には、Δｚが０の場合の結合効率の９０％以上になり、比較的高い結合効率を維持できる。

図９に示す例のように、導波路１が全反射によって光を導波する構成についても、基本的な原理は同じであり、導波路１、１０を伝搬する導波光は互いに結合し得る。図９に示す構成についても、導波路１から導波路１０への導波光の結合効率のｄ_２依存性を計算によって求めた。図１８Ａは、ｎ_ｗ１を２．２、ｄ_１を０．７μｍ、波長λを１．５５μｍとした場合における結合効率のｄ_２依存性を示している。図１８Ｂは、ｎ_ｗ１を３．４８、ｄ_１を０．４６μｍ、波長λを１．５５μｍとした場合における結合効率のｄ_２依存性を示している。前述の例と同様、結合効率が７％以上になるという条件を課す場合、
０．９５×ｄ_{ｃｕｔｏｆｆ}＜ｄ２＜１．５×ｄ_{ｃｕｔｏｆｆ}
（すなわち、０．９５×ｍλ／（２ｎ_ｗ２）＜ｄ２＜１．５×ｍλ／２ｎ_ｗ２））
であればよい。

また、結合効率が５０％以上という条件を課す場合、１．２×ｄ_{ｃｕｔｏｆｆ}＜ｄ２＜１．５×ｄ_{ｃｕｔｏｆｆ}（すなわち、１．２×ｍλ／２ｎ_ｗ２）＜ｄ２＜１．５×ｍλ／ｎ_ｗ２））であればよい。

図９の構成においても、ｎ_ｗ１＞ｎ_ｗ２でもよいし、ｎ_ｗ１≦ｎ_ｗ２でもよい。

上述した通り、導波路１から導波路１０に伝搬する光のモードの次数はｍ＝２に限定されない。例えば、ｎ_ｗ１＝１．８８３、ｄ_１＝０．３μｍ、ｎ_ｗ２＝１．６、ｄ_２＝０．５５μｍの条件で、図１９Ａの様なモデルを用いて計算すると、図１９Ｂに示すように、光が導波路に結合することがわかる。

次に、導波路１と導波路１０との間にギャップがある場合を検討する。

図２０Ａは、本実施形態の変形例を示す断面図である。この例では、導波路１０における光導波層２０は、ギャップ（例えば空隙）を介して導波路１に繋がっている。このように、導波路１と導波路１０との間にギャップが存在する場合であっても、導波モードの近接場を介して光が結合するため、ギャップ幅（Ｘ方向の幅）が波長λに比べて十分小さければ、導波光は導波路１、１０の間で結合する。これは、図６Ａまたは図６Ｂのように、自由空間における伝播光から導波モードへと結合させる方法とは異なる。

図２０Ｂは、結合効率のギャップ幅依存性の計算結果を示す図である。図２０Ｂにおける結合効率は、ギャップが０μｍのときの値を１として規格化された値である。計算では、ｎ_ｗ１を３．４８、ｎ_ｗ２を１．５、ｄ_１を０．９μｍ、ｄ_２を１．１μｍ、ギャップの屈折率を１、波長λを１．５５μｍとした。図２０Ｂより、規格化された結合効率が５０％以上になるのは、ギャップが０．２４μｍ以下の場合である。ギャップが空気以外の媒質である場合、および波長λが１．５５μｍとは異なる場合を考慮すると、ギャップの光学長（ギャップの屈折率とギャップ幅との積）がλ／６．５以下であれば、規格化された結合効率が５０％以上になる。このギャップの光学長は、導波路１、１０のパラメータには依存しない。

図１０に示す例のように、導波路１に、導波路１’から光が入力される形態でも同様に、導波路１’の端面と導波路１の端面との間にギャップがあってもよい。前述のとおり、ギャップの光学長（ギャップの屈折率とギャップ幅との積）は、例えばλ／６．５以下に設定される。

次に、本実施形態における導波路１および導波路１０の組み合わせ（本明細書において、「導波路ユニット」と称する。）を複数組用いて、２次元的な光のスキャンを実現する構成を説明する。２次元スキャンを実行可能な光スキャンデバイスは、第１の方向に配列された複数の導波路ユニットと、各導波路ユニットを制御する調整素子（例えばアクチュエータおよび制御回路の組み合わせ）を備える。調整素子は、各導波路ユニットにおける導波路１０における光導波層２０の屈折率および厚さの少なくとも一方を変化させる。これにより、各導波路１０から出射される光の方向を変化させることができる。また、複数の導波路ユニットにおける導波路１０に、適切に位相差が調整された光が入力されることにより、図１を参照して説明したように、光の２次元スキャンが可能となる。以下、２次元スキャンを実現するための実施形態をより詳細に説明する。

＜２次元スキャンの動作原理＞
複数の導波路素子（第２の導波路）１０が一方向に配列された導波路アレイにおいて、それぞれの導波路素子１０から出射される光の干渉により、光の出射方向は変化する。各導波路素子１０に供給する光の位相を調整することにより、光の出射方向を変化させることができる。以下、その原理を説明する。

図２１Ａは、導波路アレイの出射面に垂直な方向に光を出射する導波路アレイの断面を示す図である。図２１Ａには、各導波路素子１０を伝搬する光の位相シフト量も記載されている。ここで、位相シフト量は、左端の導波路素子１０を伝搬する光の位相を基準にした値である。本実施形態における導波路アレイは、等間隔に配列された複数の導波路素子１０を含んでいる。図２１Ａにおいて、破線の円弧は、各導波路素子１０から出射される光の波面を示している。直線は、光の干渉によって形成される波面を示している。矢印は、導波路アレイから出射される光の方向（すなわち、波数ベクトルの方向）を示している。図２１Ａの例では、各導波路素子１０における光導波層２０を伝搬する光の位相はいずれも同じである。この場合、光は導波路素子１０の配列方向（Ｙ方向）および光導波層２０が延びる方向（Ｘ方向）の両方に垂直な方向（Ｚ方向）に出射される。

図２１Ｂは、導波路アレイの出射面に垂直な方向とは異なる方向に光を出射する導波路アレイの断面を示す図である。図２１Ｂの例では、複数の導波路素子１０における光導波層２０を伝搬する光の位相が、配列方向に一定量（Δφ）ずつ異なっている。この場合、光は、Ｚ方向とは異なる方向に出射される。このΔφを変化させることにより、光の波数ベクトルのＹ方向の成分を変化させることができる。

導波路アレイから外部（ここでは空気とする。）へ出射される光の方向は、以下のように定量的に議論できる。

図２２は、３次元空間における導波路アレイを模式的に示す斜視図である。互いに直交するＸ、ＹおよびＺ方向で定義される３次元空間において、光が空気に出射される領域と、導波路アレイとの境界面をＺ＝ｚ_０とする。この境界面は、複数の導波路素子１０のそれぞれの出射面を含む。Ｚ＜ｚ_０では、Ｙ方向に複数の導波路素子１０が等間隔に配列され、複数の導波路素子１０のそれぞれはＸ方向に延びている。Ｚ＞ｚ_０において、空気へ出射される光の電界ベクトルＥ（ｘ、ｙ、ｚ）は、以下の式（１１）で表される。

ただしＥ_０は電界の振幅ベクトルであり、ｋ_ｘ、ｋ_ｙおよびｋ_ｚはそれぞれＸ、ＹおよびＺ方向における波数（ｗａｖｅ ｎｕｍｂｅｒ）であり、ｊは虚数単位である。この場合、空気へ出射される光の方向は、図２２において太い矢印で表される波数ベクトル（ｋ_ｘ、ｋ_ｙ、ｋ_ｚ）に平行となる。波数ベクトルの大きさは、以下の式（１２）で表される。

Ｚ＝ｚ_０における電界の境界条件から、境界面に平行な波数ベクトル成分ｋ_ｘおよびｋ_ｙは、それぞれ導波路アレイにおける光のＸ方向およびＹ方向における波数に一致する。これは、式（２）のスネルの法則と同様に、境界面において、空気側の光が有する面方向の波長と、導波路アレイ側の光が有する面方向の波長とが一致する条件に相当する。

ｋ_ｘは、Ｘ方向に延びた導波路素子１０の光導波層２０を伝搬する光の波数に等しい。
上述した図２に示される導波路素子１０では、ｋ_ｘは、式（２）および式（３）を用いて、以下の式（１３）で表される。

ｋ_ｙは、隣接する２つの導波路素子１０の間の光の位相差から導出される。Ｙ方向に等間隔に配列されたＮ本の導波路素子１０のそれぞれのＹ方向の中心をｙ_ｑ（ｑ＝０、１、２、・・・、Ｎ－１）とし、隣接する２つの導波路素子１０の間の距離（中心間距離）をｐとする。そのとき、空気へ出射される光の電界ベクトル（式（１１））は、境界面内（Ｚ＝ｚ_０）のｙ_ｑおよびｙ_ｑ＋１において、以下の式（１４）の関係を満たす。

任意の隣接する２つの導波路素子１０の位相差がΔφ＝ｋ_ｙｐ（一定）となるように設定すれば、ｋ_ｙは、以下の式（１５）で表される。

この場合、ｙ_ｑにおける光の位相はφ_ｑ＝φ_０＋ｑΔφとなる（φ_ｑ＋１－φ_ｑ＝Δφ）。つまり、位相φ_ｑは、Ｙ方向に沿って、一定（Δφ＝０）か、比例して増加（Δφ＞０）または減少（Δφ＜０）する。Ｙ方向に配列された導波路素子１０が等間隔でない場合は、所望のｋ_ｙに対して、ｙ_ｑおよびｙ_ｑ＋１での位相差がΔφ_ｑ＝φ_ｑ＋１－φ_ｑ＝ｋ_ｙ（ｙ_ｑ＋１－ｙ_ｑ）となるように設定すればよい。この場合、ｙ_ｑにおける光の位相はφ_ｑ＝φ_０＋ｋ_ｙ（ｙ_ｑ－ｙ_０）となる。式（１４）および式（１５）からそれぞれ得られるｋ_ｘおよびｋ_ｙを用いれば、式（１２）からｋ_ｚが導出される。これにより、光の出射方向（波数ベクトルの方向）が得られる。

例えば、図２２に示すように、出射光の波数ベクトル（ｋ_ｘ、ｋ_ｙ、ｋ_ｚ）と、その波数ベクトルをＹＺ平面に射影したベクトル（０、ｋ_ｙ、ｋ_ｚ）とがなす角度をθとする。θは、波数ベクトルとＹＺ平面とがなす角度である。θは、式（１２）および式（１３）を用いて、以下の式（１６）で表される。

式（１６）は、出射光がＸＺ平面に平行な場合に限定したときの式（３）と全く同じである。式（１６）からわかるように、波数ベクトルのＸ成分は、光の波長、光導波層２０の屈折率、および光導波層２０の厚さに依存して変化する。

同様に、図２２に示すように、出射光（０次光）の波数ベクトル（ｋ_ｘ、ｋ_ｙ、ｋ_ｚ）と、その波数ベクトルをＸＺ平面に射影したベクトル（ｋ_ｘ、０、ｋ_ｚ）とがなす角度をα_０とする。α_０は、波数ベクトルとＸＺ平面とがなす角度である。α_０は、式（１２）および式（１３）を用いて、以下の式（１７）で表される。

式（１７）からわかるように、光の波数ベクトルのＹ成分は、光の位相差Δφによって変化する。

このように、波数ベクトル（ｋ_ｘ、ｋ_ｙ、ｋ_ｚ）の代わりに、式（１６）および式（１７）からそれぞれ得られるθおよびα_０を用いて光の出射方向を特定することもできる。その場合、光の出射方向を表す単位ベクトルは、（ｓｉｎθ、ｓｉｎα_０、（１－ｓｉｎ^２α_０－ｓｉｎ^２θ）^１／２）と表すことができる。光出射においてこれらのベクトル成分はすべて実数でなければならないので、ｓｉｎ^２α_０＋ｓｉｎ^２θ≦１が満たされる。ｓｉｎ^２α_０≦１－ｓｉｎ^２θ＝ｃｏｓ^２θから、出射光は－ｃｏｓθ≦ｓｉｎα_０≦ｃｏｓθを満たす角度範囲で変化することがわかる。－１≦ｓｉｎα_０≦１から、θ＝０^ｏでは、出射光は－９０^ｏ≦α_０≦９０^ｏの角度範囲で変化する。しかし、θが増加するとｃｏｓθは小さくなるので、α_０の角度範囲は狭くなる。θ＝９０^ｏ（ｃｏｓθ＝０）では、α_０＝０^ｏのときのみしか光は出射されない。

本実施形態における光による２次元スキャンは、導波路素子１０が少なくとも２本以上あれば実現できる。しかし、導波路素子１０の本数が少ない場合、上記のα_０の広がり角度Δαが大きくなる。導波路素子１０の本数が増加するとΔαは小さくなる。このことは、以下のようにして説明できる。簡単のために、図２２においてθ＝０^ｏの場合を考える。つまり、光の出射方向がＹＺ平面に平行な場合を考える。

Ｎ本（Ｎは２以上の整数）の導波路素子１０のそれぞれから、同じ出射強度および上述した位相φ_ｑを有する光が出射されるとする。そのとき、Ｎ本の導波路素子１０から出射される合計の光（電界）の振幅分布の絶対値は、遠視野において、以下の式（１８）で表されるＦ（ｕ）に比例する。

ただし、ｕは以下の式（１９）で表される。

αは、ＹＺ平面において、観測点および原点を結ぶ直線と、Ｚ軸とがなす角度である。α_０は、式（１７）を満たす。式（１８）のＦ（ｕ）は、ｕ＝０（α＝α_０）でＮ（最大）となり、ｕ＝±２π／Ｎで０となる。ｕ＝－２π／Ｎおよび２π／Ｎを満たす角度をそれぞれα_１およびα_２とすると（α_１＜α_０＜α_２）、α_０の広がり角度はΔα＝α_２－α_１となる。－２π／Ｎ＜ｕ＜２π／Ｎ（α_１＜α＜α_２）の範囲のピークは、一般にメインローブと呼ばれる。メインローブの両側にはサイドローブと呼ばれる複数の小さいピークが存在する。メインローブの幅Δｕ＝４π／Ｎと、式（１９）から得られるΔｕ＝２πｐΔ（ｓｉｎα）／λとを比較すると、Δ（ｓｉｎα）＝２λ／（Ｎｐ）となる。Δαが小さければ、Δ（ｓｉｎα）＝ｓｉｎα_２－ｓｉｎα_１＝［（ｓｉｎα_２－ｓｉｎα_１）／（α_２－α_１）］Δα～［ｄ（ｓｉｎα）／ｄα］α_＝α_０Δα＝ｃｏｓα_０Δαとなる。このため、広がり角度は、以下の式（２０）で表される。

したがって、導波路素子１０の本数が多いほど、広がり角度Δαを小さくすることができ、遠方においても高精細な光スキャンが実現できる。同様の議論は、図２２においてθ≠０^ｏの場合にも適用できる。

＜導波路アレイから出射される回折光＞
導波路アレイからは０次光のほかに高次の回折光も出射され得る。簡単のために、図２２においてθ＝０^ｏの場合を考える。つまり、回折光の出射方向はＹＺ平面に平行である。

図２３Ａは、ｐがλよりも大きい場合において、導波路アレイから回折光が出射される様子を示す模式図である。この場合、位相シフトがなければ（α_０＝０^ｏ）、図２３Ａに示す実線矢印の方向に０次光および±１次光が出射される（ｐの大きさによっては、さらに高次の回折光も出射され得る）。この状態から位相シフトを与えると（α_０≠０^ｏ）、図２３Ａに示す破線矢印のように、０次光および±１次光の出射角度が同じ回転方向に変化する。±１次光のような高次光を用いてビームスキャンを行うことも可能であるが、よりシンプルにデバイスを構成する場合、０次光のみが用いられる。０次光の利得が低減することを回避するために、隣接する２つの導波路素子１０の間の距離ｐをλよりも小さくすることによって高次光の出射を抑制してもよい。ｐ＞λであっても、高次光を物理的に遮断することによって０次光のみを用いることも可能である。

図２３Ｂは、ｐがλよりも小さい場合において、導波路アレイから回折光が出射される様子を示す模式図である。この場合、位相シフトがなければ（α_０＝０^ｏ）、高次の回折光は、回折角度が９０度を超えるため存在せず、前方には０次光だけが出射する。ただし、ｐがλに近い値の場合、位相シフトを与えると（α_０≠０^ｏ）、出射角度の変化に伴って±１次光が出射される場合がある。

図２３Ｃは、ｐ～λ／２の場合において、導波路アレイから回折光が出射される様子を示す模式図である。この場合、位相シフトを与えても（α_０≠０^ｏ）±１次光は出射しない、あるいは出射したとしてもかなり大きな角度で出射する。ｐ＜λ／２の場合は、位相シフトを与えても高次の光が出射することはない。しかし、ｐをこれ以上小さくすることによるメリットも特にない。よって、ｐは、例えばλ／２以上に設定され得る。

図２３Ａから図２３Ｃにおける空気へ出射される０次光および±１次光の関係は、以下のように定量的に説明できる。式（１８）のＦ（ｕ）は、Ｆ（ｕ）＝Ｆ（ｕ＋２π）であることから、２πの周期関数である。ｕ＝±２ｍπのとき、Ｆ（ｕ）＝Ｎ（最大）となる。そのとき、ｕ＝±２ｍπを満たす出射角度αで±ｍ次光が出射される。ｕ＝±２ｍπ（ｍ≠０）付近のピーク（ピーク幅はΔｕ＝４π／Ｎ）をグレーティングローブと呼ぶ。

高次光のうち、±１次光のみを考えると（ｕ＝±２π）、±１次光の出射角度α±は、以下の式（２１）を満たす。

＋１次光が出射されない条件ｓｉｎα_＋＞１から、ｐ＜λ／（１―ｓｉｎα_０）が得られる。同様に、－１次光が出射されない条件ｓｉｎα_－＜－１から、ｐ＜λ／（１＋ｓｉｎα_０）が得られる。

出射角度α_０（＞０）の０次光に対して±１次光が出射されるか否かの条件は、以下のように分類される。ｐ≧λ／（１―ｓｉｎα_０）の場合、±１次光の両方が出射される。λ／（１＋ｓｉｎα_０）≦ｐ＜λ／（１―ｓｉｎα_０）の場合、＋１次光は出射されないが－１次光は出射される。ｐ＜λ／（１＋ｓｉｎα_０）の場合、±１次光はいずれも出射されない。特に、ｐ＜λ／（１＋ｓｉｎα_０）を満たせば、図２２においてθ≠０^ｏの場合でも±１次光は出射されない。例えば、±１次光が出射されない場合において片側１０度以上のスキャンを達成するには、α_０＝１０°として、ｐ≦λ／（１＋ｓｉｎ１０°）～０．８５λの関係を満たしていればよい。ｐに関する前述の下限についての条件と組み合わせれば、λ／２≦ｐ≦λ／（１＋ｓｉｎ１０°）が満足されていればよい。

しかし、±１次光が出射されない条件を満たすためには、ｐを非常に小さくする必要がある。これは、導波路アレイの作製を困難にする。そこで、±１次光の有無に関わらず、０次光を０°＜α_０＜α_ｍａｘの角度範囲でスキャンすることを考える。ただし、±１次光はこの角度範囲には存在しないとする。この条件を満たすためには、α_０＝０°において、＋１次光の出射角度はα_＋≧α_ｍａｘでなければならず（すなわち、ｓｉｎα_＋＝（λ／ｐ）≧ｓｉｎα_ｍａｘ）、α_０＝α_ｍａｘにおいて、－１次光の出射角度はα_－≦０でなければならない（すなわち、ｓｉｎα_－＝ｓｉｎα_ｍａｘ－（λ／ｐ）≦０）。これらの制限から、ｐ≦λ／ｓｉｎα_ｍａｘが得られる。

上記の議論から、±１次光がスキャンの角度範囲に存在しない場合における０次光の出射角度α_０の最大値α_ｍａｘは、以下の式（２２）を満たす。

例えば、±１次光がスキャンの角度範囲に存在しない場合において片側１０度以上のスキャンを達成するには、α_ｍａｘ＝１０°として、ｐ≦λ／ｓｉｎ１０°～５．７６λの関係を満たしていればよい。ｐに関する前述の下限についての条件と組み合わせれば、λ／２≦ｐ≦λ／ｓｉｎ１０°が満足され得る。このｐの上限（ｐ～５．７６λ）は±１次光が出射されない場合における上限（ｐ～０．８５λ）と比べて十分大きいので、導波路アレイの作製は比較的容易である。ここで、使用される光が単一波長の光ではない場合、使用される光の中心波長をλとする。

以上のことから、より広い角度範囲をスキャンするためには、導波路間の距離ｐを小さくする必要がある。一方、ｐが小さい場合に式（２０）における出射光の広がり角度Δαを小さくするためには、導波路アレイの本数を増やす必要がある。導波路アレイの本数は、用途および要求される性能に応じて適宜決定される。導波路アレイの本数は、例えば１６本以上、用途によっては１００本以上であり得る。

＜導波路アレイに導入する光の位相制御＞
それぞれの導波路素子１０から出射される光の位相を制御するためには、導波路素子１０に光を導入する前段に、光の位相を変化させる位相シフタを導入すればよい。本実施形態における光スキャンデバイス１００は、複数の導波路素子１０のそれぞれに接続された複数の位相シフタと、各位相シフタを伝搬する光の位相を調整する第２調整素子とを備える。各位相シフタは、複数の導波路素子１０の対応する１つにおける光導波層２０に直接的にまたは他の導波路を介して繋がる導波路を含む。第２調整素子は、複数の位相シフタから複数の導波路素子１０へ伝搬する光の位相の差をそれぞれ変化させることにより、複数の導波路素子１０から出射される光の方向（第３の方向Ｄ３）を変化させる。以下の説明では、導波路アレイと同様に、配列された複数の位相シフタを「位相シフタアレイ」と呼ぶことがある。

図２４は、位相シフタ８０が導波路素子１０に直接的に接続されている構成の例を示す模式図である。図２４において、破線枠で囲まれた部分が位相シフタ８０に該当する。この位相シフタ８０は、対向する一対のミラー（第５のミラー３０ａおよび第６のミラー４０ａ、以下、単にミラーと呼ぶことがある。）と、ミラー３０ａとミラー４０ａの間に設けられた導波路２０ａとを有する。この例における導波路２０ａは、導波路素子１０における光導波層２０と共通の部材で構成され、光導波層２０に直接的に繋がっている。同様に、ミラー４０ａも、導波路素子１０におけるミラー４０と共通の部材で構成され、ミラー４０に接続されている。ミラー３０ａは、導波路素子１０におけるミラー３０よりも低い透過率（高い反射率）を有する。ミラー３０ａは、ミラー３０に接続されている。位相シフタ８０では、光を放射しないようにするために、ミラー３０ａの透過率はミラー４０、４０ａと同様の低い値に設計されている。すなわち、第５のミラー３０ａと第６のミラー４０ａの光透過率は、第１のミラー３０の光透過率よりも低い。上述した導波路１または１’は、位相シフタとして機能してもよい。

図２５は、導波路アレイ１０Ａおよび位相シフタアレイ８０Ａを、光出射面の法線方向（Ｚ方向）から見た模式図である。図２５に示される例では、全ての位相シフタ８０が同じ伝搬特性を有し、全ての導波路素子１０が同じ伝搬特性を有する。それぞれの位相シフタ８０およびそれぞれの導波路素子１０は同じ長さであってもよいし、長さが異なっていても良い。それぞれの位相シフタ８０の長さが等しい場合は、駆動電圧によりそれぞれの位相シフト量を調整すればよい。また、それぞれの位相シフタ８０の長さを等ステップで変化させた構造にすることで、同じ駆動電圧で等ステップの位相シフトを与えることもできる。さらに、この光スキャンデバイス１００は、複数の位相シフタ８０に光を分岐して供給する光分岐器９０と、各導波路素子１０を駆動する第１駆動回路１１０と、各位相シフタ８０を駆動する第２駆動回路２１０とをさらに備えている。図２５における直線の矢印は光の入力を示している。別々に設けられた第１駆動回路１１０と第２駆動回路２１０とをそれぞれ独立に制御することにより、２次元スキャンを実現できる。この例では、第１駆動回路１１０は、第１調整素子の１つの要素として機能し、第２駆動回路２１０は、第２調整素子の１つの要素として機能する。

第１駆動回路１１０は、後述するように、各導波路素子１０における光導波層２０の屈折率または厚さを変化（変調）させることにより、光導波層２０から出射する光の角度を変化させる。第２駆動回路２１０は、後述するように、各位相シフタ８０における導波路２０ａの屈折率を変化させることにより、導波路２０ａの内部を伝搬する光の位相を変化させる。光分岐器９０は、全反射によって光が伝搬する誘電体導波路で構成してもよいし、導波路素子１０と同様の反射型導波路で構成してもよい。

なお、光分岐器９０で分岐したそれぞれの光に対して位相を制御した後に、それぞれの光を位相シフタ８０に導入してもよい。この位相制御には、例えば、位相シフタ８０に至るまでの導波路の長さを調整することによるパッシブな位相制御構造を用いることができる。あるいは、位相シフタ８０と同様の機能を有する電気信号で制御可能な位相シフタを用いても良い。このような方法により、例えば、全ての位相シフタ８０に等位相の光が供給されるように、位相シフタ８０に導入される前に位相を調整してもよい。そのような調整により、第２駆動回路２１０による各位相シフタ８０の制御をシンプルにすることができる。

図２６は、位相シフタ８０における導波路が、導波路素子１０における光導波層２０と、他の導波路８５を介して繋がる構成の例を模式的に示す図である。他の導波路８５は、上述した何れかの導波路１であってもよい。また、他の導波路８５は、図１０に示した導波路１および１’であってもよい。各位相シフタ８０は、図２４に示す位相シフタ８０と同じ構成を有していてもよいし、異なる構成を有していてもよい。図２６では、位相シフタ８０を、位相シフト量を表す記号φ_０～φ_５を用いて、簡易的に表現している。以降の図でも同様の表現を用いることがある。位相シフタ８０には、全反射を利用して光を伝搬させる誘電体導波路を利用することができる。その場合、図２４に示されているようなミラー３０ａおよび４０ａは不要である。

図２７は、光分岐器９０にカスケード状に並ぶ複数の位相シフタ８０を挿入した構成例を示す図である。この例では、光分岐器９０の経路の途中に、複数の位相シフタ８０が接続されている。各位相シフタ８０は、伝搬する光に一定の位相シフト量φを与える。それぞれの位相シフタ８０が伝搬光に与える位相シフト量を一定にすることで、隣接する２つの導波路素子１０の間の位相差が等しくなる。したがって、第２調整素子は、全ての位相シフタ８０に共通の位相制御信号を送ることができる。このため、構成が容易になるという利点がある。

光分岐器９０、位相シフタ８０および導波路素子１０などの間で、光を効率的に伝搬させるために、誘電体導波路を利用することができる。誘電体導波路には、周囲の材料よりも高い屈折率を有する、光の吸収が少ない光学材料を用いることができる。例えば、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＡｌＮ、ＳｉＮなどの材料が用いられ得る。また、光分岐器９０から導波路素子１０に光を伝搬させるために、上述した何れかの導波路１を用いてもよい。また、光分岐器９０から導波路素子１０に光を伝搬させるために、図１０に示した導波路１および１’を用いてもよい。

位相シフタ８０では、光に位相差を与えるために光路長を変える機構が必要である。光路長を変えるために、本実施形態では、位相シフタ８０における導波路の屈折率が変調される。これにより、隣接する２つの位相シフタ８０から導波路素子１０に供給される光の位相差を調整することができる。より具体的には、位相シフタ８０が有する導波路内の位相シフト材料の屈折率変調を行うことで、位相シフトを与えることができる。屈折率変調を行う構成の具体例については、後述する。

＜第１調整素子の例＞
次に、導波路素子１０における光導波層２０の屈折率または厚さを調整する第１調整素子の構成例を説明する。まず、屈折率を調整する場合の構成例を説明する。

図２８Ａは、第１調整素子６０（以下、単に調整素子と呼ぶことがある）の構成の一例を模式的に示す斜視図である。図２８Ａに示される例では、一対の電極６２を有する調整素子６０が導波路素子１０に組み込まれている。光導波層２０は、一対の電極６２に挟まれている。光導波層２０および一対の電極６２は、第１のミラー３０と第２のミラー４０との間に設けられている。光導波層２０の側面（ＸＺ面に平行な表面）の全体が、電極６２に接触している。光導波層２０は、電圧が印加された場合に、光導波層２０を伝搬する光に対する屈折率が変化する屈折率変調材料を含む。調整素子６０は、一対の電極６２から引き出された配線６４と、配線６４に接続された電源６６とをさらに有している。電源６６をオンにして配線６４を通じて一対の電極６２に電圧を印加することで、光導波層２０の屈折率を変調することができる。このため、調整素子６０を屈折率変調素子と呼ぶこともできる。

図２８Ｂは、第１調整素子６０の他の構成例を模式的に示す斜視図である。この例では、光導波層２０の側面の一部のみが電極６２に接触している。それ以外の点は、図２８Ａに示す構成と同じである。このように、光導波層２０の屈折率を部分的に変化させる構成であっても、出射光の方向を変化させることができる。

図２８Ｃは、調整素子６０のさらに他の構成例を模式的に示す斜視図である。この例では、一対の電極６２は、ミラー３０および４０の反射面に略平行な層状の形状を有する。一方の電極６２は、第１のミラー３０と光導波層２０との間に挟まれている。他方の電極６２は、第２のミラー４０と光導波層２０との間に挟まれている。このような構成を採用する場合、電極６２には、透明電極が用いられ得る。このような構成によれば、製造が比較的容易であるという利点がある。

図２８Ａから図２８Ｃに示す例では、各導波路素子１０における光導波層２０は、電圧が印加された場合に、光導波層２０を伝搬する光に対する屈折率が変化する材料を含む。第１調整素子６０は、光導波層２０を挟む一対の電極６２を有し、一対の電極６２に電圧を印加することにより、光導波層２０の屈折率を変化させる。電圧の印加は、前述の第１駆動回路１１０によって行われ得る。

ここで、各構成要素に用いられ得る材料の例を説明する。

ミラー３０、４０、３０ａ、および４０ａの材料には、例えば誘電体による多層膜を用いることができる。多層膜を用いたミラーは、例えば、各々が１／４波長の光学厚さを有する、屈折率の異なる複数の膜を周期的に形成することによって作製できる。このような多層膜ミラーによれば、高い反射率を得ることができる。膜の材料として、例えばＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｓｉ、ＳｉＮなどを用いることができる。各ミラーは、多層膜ミラーに限らず、Ａｇ、Ａｌなどの金属で形成されていてもよい。

電極６２および配線６４には、導電性を有する様々な材料を利用することができる。例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｗ、Ｔｉ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｐｄなどの金属材料、またはＩＴＯ、酸化錫、酸化亜鉛、ＩＺＯ（登録商標）、ＳＲＯなどの無機化合物、またはＰＥＤＯＴ、ポリアニリンなどの導電性高分子などの導電性材料を用いることができる。

光導波層２０の材料には、誘電体、半導体、電気光学材料、液晶分子などの様々な透光性の材料を利用することができる。誘電体としては、例えばＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＮ、ＡｌＮが挙げられる。半導体材料としては、例えば、Ｓｉ系、ＧａＡｓ系、ＧａＮ系の材料が挙げられる。電気光学材料としては、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ）、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ）などが挙げられる。

光導波層２０の屈折率を変調する方法には、例えば、キャリア注入効果、電気光学効果、複屈折効果、または熱光学効果を利用した方法がある。以下、各方法の例を説明する。

キャリア注入効果を利用した方法は、半導体のｐｉｎ接合を利用した構成によって実現され得る。この方法では、ドープ濃度の低い半導体をｐ型半導体およびｎ型半導体で挟み込んだ構造が用いられ、半導体にキャリアを注入することによって屈折率が変調される。この構成では、各導波路素子１０における光導波層２０は、半導体材料を含む。一対の電極６２の一方はｐ型半導体を含み、他方はｎ型半導体を含み得る。第１調整素子６０は、一対の電極６２に電圧を印加することにより、半導体材料にキャリアを注入し、光導波層２０の屈折率を変化させる。光導波層２０をノンドープまたは低ドープ濃度の半導体で作製し、これに接するようにｐ型半導体およびｎ型半導体を設ければ良い。低ドープ濃度の半導体にｐ型半導体およびｎ型半導体が接するように配置し、さらにｐ型半導体およびｎ型半導体に導電性材料が接するような複合的な構成にしてもよい。例えば、Ｓｉに１０^２０ｃｍ^－３程度のキャリアを注入すると、Ｓｉの屈折率が０．１程度変化する（例えば、“Ｆｒｅｅ ｃｈａｒｇｅ ｃａｒｒｉｅｒ ｉｎｄｕｃｅｄ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ” ７^ｔｈＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｇｒｏｕｐ ＩＶ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ， Ｐ１０２ ‐ １０４， １－３ Ｓｅｐｔ． ２０１０を参照）。この方法を採用する場合、図２８Ａから図２８Ｃにおける一対の電極６２の材料として、ｐ型半導体およびｎ型半導体が用いられ得る。あるいは、一対の電極６２は金属で構成し、電極６２と光導波層２０との間の層、または、光導波層２０自体にｐ型またはｎ型半導体を含ませてもよい。

電気光学効果を利用した方法は、電気光学材料を含む光導波層２０に電界をかけることで実現され得る。特に、電気光学材料としてＫＴＮを用いれば、大きな電気光学効果を得ることができる。ＫＴＮは正方晶から立方晶への相転移温度よりも少し高い温度で比誘電率が著しく上昇するため、この効果を利用することができる。例えば、“Ｌｏｗ－Ｄｒｉｖｉｎｇ－Ｖｏｌｔａｇｅ Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ Ｗｉｔｈ Ｎｏｖｅｌ ＫＴａ１－ｘＮｂｘＯ３ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ” Ｊｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．， Ｖｏｌ．４３， Ｎｏ． ８Ｂ （２００４）によれば、波長１．５５μｍの光に対して電気光学定数ｇ＝４．８×１０^－１５ｍ^２／Ｖ^２が得られる。よって、例えば２ｋＶ／ｍｍの電界をかけると、屈折率が０．１（＝ｇｎ^３Ｅ^３／２）程度変化する。このように、電気光学効果を利用した構成では、各導波路素子１０における光導波層２０は、ＫＴＮなどの電気光学材料を含む。第１調整素子６０は、一対の電極６２に電圧を印加することにより、電気光学材料の屈折率を変化させる。

液晶による複屈折効果を利用した方法では、液晶材料を含む光導波層２０を電極６２で駆動することで、液晶の屈折率異方性を変化させることができる。これにより、光導波層２０を伝搬する光に対する屈折率を変調することができる。液晶は一般に０．１～０．２程度の複屈折率差を有するので、液晶の配向方向を電界で変えることで複屈折率差と同等の屈折率変化が得られる。このように、液晶の複屈折効果を利用した構成では、各導波路素子１０における光導波層２０は、液晶材料を含む。第１調整素子６０は、一対の電極６２に電圧を印加することにより、液晶材料の屈折率異方性を変化させ、光導波層２０の屈折率を変化させる。

熱光学効果は、材料の温度変化に伴って屈折率が変化する効果である。熱光学効果による駆動を行うために、熱光学材料を含む光導波層２０を加熱することで屈折率を変調してもよい。

図２９は、高い電気抵抗を有する材料によって構成されるヒーター６８を含む調整素子６０と導波路素子１０とを組み合わせた構成の例を示す図である。ヒーター６８は、光導波層２０の近傍に配置され得る。電源６６をオンにして導電性材料を含む配線６４を通じてヒーター６８に電圧をかけることにより、加熱することができる。ヒーター６８を光導波層２０に接触させてもよい。本構成例では、各導波路素子１０における光導波層２０は、温度変化に伴って屈折率が変化する熱光学材料を含む。第１調整素子６０は、光導波層２０に接触してまたは光導波層２０の近傍に配置されたヒーター６８を有する。第１調整素子６０は、ヒーター６８によって熱光学材料を加熱することにより、光導波層２０の屈折率を変化させる。

光導波層２０自体を高電気抵抗材料で作製し、光導波層２０を直接一対の電極６２で挟み電圧を印加することで加熱してもよい。その場合、第１調整素子６０は、光導波層２０を挟む一対の電極６２を有する。第１調整素子６０は、一対の電極６２に電圧を印加して光導波層２０における熱光学材料（例えば、高電気抵抗材料）を加熱することにより、光導波層２０の屈折率を変化させる。

ヒーター６８または光導波層２０に用いられる高電気抵抗として、半導体または抵抗率の大きい金属材料を用いることができる。半導体としては、例えば、Ｓｉ、ＧａＡｓ、またはＧａＮなどを用いることができる。また、抵抗率の高い金属としては、鉄、ニッケル、銅、マンガン、クロム、アルミニウム、銀、金、プラチナ、またはこれら複数の材料を組み合わせた合金などが用いられ得る。例えば、波長１５００ｎｍの光に対するＳｉの屈折率の温度依存性ｄｎ／ｄＴは１．８７×１０^－４（Ｋ^－１）である（“Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ－ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ａｎｄ ｇｅｒｍａｎｉｕｍ”， Ｐｒｏｃ． ＳＰＩＥ ６２７３， ＯｐｔｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ Ａｓｔｒｏｎｏｍｙ， ６２７３２Ｊを参照）。したがって、温度を５００°変えると屈折率を０．１程度変化させることができる。光導波層２０の近傍にヒーター６８を設け局所的に加熱すれば、５００°という大きい温度変化でも比較的高速に行うことができる。

キャリア注入による屈折率変化の応答速度は、キャリアの寿命によって決まる。一般に、キャリア寿命はナノ秒（ｎｓ）のオーダーであるため１００ＭＨｚ～１ＧＨｚ程度の応答速度が得られる。

電気光学材料を用いた場合、電場をかけて電子の分極を誘起することで屈折率変化が生じる。分極を誘起する速度は一般的に極めて高速で、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３などの材料では応答時間はフェムト秒（ｆｓ）オーダーであるため、１ＧＨｚを越えた高速駆動が可能である。

熱光学材料を用いた場合、温度昇降の速度で屈折率変化の応答速度が決まる。局所的に導波路近傍のみ加熱することで急激な温度上昇が得られる。また、局所的に温度が上がった状態でヒーターを切ると周辺に放熱することで急激に温度を下げることができる。速いものでは１００ＫＨｚ程度の応答速度が得られる。

以上の例では、第１調整素子６０は、各光導波層２０の屈折率を同時に一定の値だけ変化させることにより、出射光の波数ベクトルのＸ成分を変化させる。屈折率変調において、その変調量は材料の特性に依存し、大きな変調量を得るためには、高い電界を印加したり、液晶を配向させたりする必要がある。一方、導波路素子１０から出射される光の方向は、ミラー３０とミラー４０の間の距離にも依存する。したがって、ミラー３０とミラー４０の間の距離を変えることによって光導波層２０の厚さを変化させてもよい。以下、光導波層２０の厚さを変化させる構成の例を説明する。

光導波層２０の厚さを変えるためには、光導波層２０は、例えば気体または液体などの容易に変形する材料で構成され得る。光導波層２０を挟むミラー３０および４０の少なくとも一方を移動させることにより、光導波層２０の厚さを変化させることができる。この際、上下のミラー３０とミラー４０の間の平行度を保つために、ミラー３０または４０の変形を最小限にするような構成が採用され得る。

図３０は、変形し易い材料で構成された支持部材７０でミラー３０が保持された構成例を示す図である。支持部材７０は、ミラー３０よりも相対的に変形しやすい厚さの薄い部材または細いフレームを含み得る。この例では、第１調整素子は、各導波路素子１０における第１のミラー３０に接続されたアクチュエータを有する。アクチュエータは、第１のミラー３０と第２のミラー４０との距離を変化させることにより、光導波層２０の厚さを変化させる。なお、アクチュエータは、第１のミラー３０および第２のミラー４０の少なくとも一方に接続され得る。ミラー３０を駆動するアクチュエータとして、例えば、静電気力、電磁誘導、圧電材料、形状記憶合金、または熱を利用した種々のアクチュエータを用いることができる。

静電気力を利用した構成では、第１調整素子におけるアクチュエータは、静電気力によって発生する電極間の引力または斥力を用いてミラー３０および／または４０を移動させる。以下、そのような構成のいくつかの例を説明する。

図３１は、電極間に発生する静電気力によってミラー３０および／または４０を移動させる構成の一例を示す図である。この例では、ミラー３０と光導波層２０との間、およびミラー４０と光導波層２０との間に、透光性を有する電極６２（例えば透明電極）が設けられている。ミラー３０の両側に配置された支持部材７０の各々は、一端がミラー３０に固定され、他端が不図示の筐体に固定されている。一対の電極６２に正負の電圧を印加することで、引力が生じ、ミラー３０とミラー４０の間の距離が縮小する。電圧の印加を止めると、ミラーを保持する支持部材７０の復元力が生じ、ミラー３０とミラー４０の間の距離が元の長さに戻る。このような引力を生じさせる電極６２は、ミラー全面に設けられている必要はない。この例におけるアクチュエータは、一対の電極６２を有し、一対の電極６２の一方は第１のミラー３０に固定され、一対の電極６２の他方は第２のミラー４０に固定されている。アクチュエータは、一対の電極６２に電圧を印加することにより、電極間に静電気力を発生させ、第１のミラー３０と第２のミラー４０との距離を変化させる。なお、電極６２への電圧の印加は、前述の駆動回路１１０（例えば図２５）によって行われる。

図３２は、引力を生じさせる電極６２を、光の伝搬を妨げない位置に配置した構成例を示す図である。この例では、電極６２を透明にする必要はない。図示されているように、ミラー３０および４０のそれぞれに固定された電極６２は単一である必要はなく、分割されていてもよい。分割された電極の一部の静電容量を計測することで、ミラー３０とミラー４０の間の距離を計測し、ミラー３０とミラー４０の平行度を調整するなどのフィードバック制御を行うことができる。

電極間の静電気力を利用する代わりに、コイル内の磁性体に引力または斥力を生じさせる電磁誘導を利用してミラー３０および／または４０を駆動してもよい。

圧電材料、形状記憶合金、または熱による変形を利用したアクチュエータでは、外部から加えられたエネルギーによって材料が変形する現象が利用される。例えば、代表的な圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）は、電界を分極方向に印加することによって伸縮する。この圧電材料によってミラー３０とミラー４０の間の距離を直接変化させることができる。しかし、ＰＺＴの圧電定数は１００ｐｍ／Ｖ程度であるため、例えば１Ｖ／μｍの電界を印加しても変位量は０．０１％程度と微小である。このため、このような圧電材料を用いた場合には、十分なミラーの移動距離を得ることができない。そこで、ユニモルフまたはバイモルフと呼ばれる構成を用いて、変化量を増加させることができる。

図３３は、圧電材料を含む圧電素子７２の例を示す図である。矢印は、圧電素子７２の変位方向を示し、その矢印の大きさは変位量を示す。図３３に示すように、圧電素子７２の変位量は材料の長さに依存するため、面方向の変位量は厚さ方向の変位量よりも大きい。

図３４Ａは、図３３に示す圧電素子７２を用いたユニモルフの構造を有する支持部材７４ａの構成例を示す図である。この支持部材７４ａは、１層の圧電素子７２と、１層の非圧電素子７１とが積層された構造を有する。このような支持部材７４ａをミラー３０および４０の少なくとも一方に固定し、変形させることにより、ミラー３０とミラー４０の間の距離を変化させることができる。

図３４Ｂは、圧電素子７２に電圧を印加することによって支持部材７４ａが変形した状態の例を示す図である。圧電素子７２に電圧が印加されると、圧電素子７２のみが面方向に伸びるため、支持部材７４ａ全体がたわむ。このため、非圧電素子７１が無い場合と比較して、変位量を増加させることができる。

図３５Ａは、図３３に示す圧電素子７２を用いたバイモルフの構造を有する支持部材７４ｂの構成例を示す図である。この支持部材７４ｂは、２層の圧電素子７２と、その間の１層の非圧電素子７１とが積層された構造を有する。このような支持部材７４ｂをミラー３０および４０の少なくとも一方に固定し、変形させることにより、ミラー３０とミラー４０の間の距離を変化させることができる。

図３５Ｂは、両側の圧電素子７２に電圧を印加することによって支持部材７４ａが変形した状態の例を示す図である。バイモルフでは、上下の圧電材料７２において変位方向が反対になる。そのため、バイモルフの構成を用いた場合、ユニモルフの構成よりもさらに変位量を増加させることができる。

図３６は、図３４Ａに示す支持部材７４ａをミラー３０の両側に配置したアクチュエータの例を示す図である。このような圧電アクチュエータによって梁をたわませるように支持部材７４ａを変形させることにより、ミラー３０とミラー４０の間の距離を変化させることができる。図３４Ａに示す支持部材７４ａに代えて、図３５Ａに示す支持部材７４ｂを用いてもよい。

なお、ユニモルフ型のアクチュエータは、円弧状に変形するため、図３７Ａに示すように、固定されていない側の先端には傾きが生じる。そのため、ミラー３０の剛性が低いと、ミラー３０とミラー４０を平行に保持することが困難である。そこで、図３７Ｂに示すように、伸縮する方向の異なる２つのユニモルフ型の支持部材７４ａを直列に繋ぎ合わせてもよい。図３７Ｂの例では、支持部材７４ａにおいて、伸縮する領域と伸展する領域とで、たわむ方向が反対になる。その結果、固定されていない側の先端に傾きを生じさせないようにすることができる。このような支持部材７４ａを用いることにより、ミラー３０および４０が傾くことを抑制することができる。

上記と同様に、熱膨張係数の異なる材料を貼り合わせることによっても、たわみ変形する梁構造を実現することができる。さらに、梁構造を形状記憶合金で実現することもできる。いずれも、ミラー３０とミラー４０の距離の調整に利用され得る。

また、光導波層２０を密閉空間とし、内部の空気または液体を小型ポンプなどで出し入れして光導波層２０の体積を変化させることによってミラー３０とミラー４０の間の距離を変えることも可能である。

以上のように、第１調整素子におけるアクチュエータは、多様な構造によって光導波層２０の厚さを変化させることができる。このような厚さの変化は、複数の導波路素子１０のそれぞれについて個別に行ってもよいし、全ての導波路素子１０について一律に行ってもよい。特に、複数の導波路素子１０の構造が全て同じである場合、各導波路素子１０におけるミラー３０とミラー４０の間の距離が一定に制御される。このため、１つのアクチュエータが、全ての導波路素子１０を一括して駆動することができる。

図３８は、複数の第１のミラー３０を保持する支持部材（すなわち、補助基板）５２をアクチュエータで一括して駆動する構成の例を示す図である。図３８では、第２のミラー４０は１つのプレート状のミラーである。ミラー４０は、前述の実施形態のように、複数のミラーに分割されていてもよい。支持部材５２は、透光性を有する材料で構成され、両側にユニモルフ型の圧電アクチュエータが設けられている。

図３９は、複数の導波路素子１０における第１のミラー３０が１つのプレート状のミラーである構成例を示す図である。この例では、第２のミラー４０は、導波路素子１０ごとに分割されている。図４１および図４２の例のように、各導波路素子１０におけるミラー３０および４０の少なくとも一方が、１つのプレート状のミラーの部分であってもよい。アクチュエータは、当該プレート状のミラーを移動させることにより、ミラー３０とミラー４０の間の距離を変化させてもよい。

＜位相シフトのための屈折率変調＞
次に、第２調整素子による複数の位相シフタ８０における位相の調整のための構成を説明する。複数の位相シフタ８０における位相の調整は、位相シフタ８０における導波路２０ａの屈折率を変化させることによって実現され得る。この屈折率の調整は、既に説明した、各導波路素子１０における光導波層２０の屈折率を調整する方法と全く同じ方法によって実現することができる。例えば、図２８Ａから図２９を参照しながら説明した屈折率変調の構成および方法をそのまま適用することができる。図２８Ａから図２９に関する説明において、導波路素子１０を位相シフタ８０と読み替え、第１調整素子６０を第２調整素子と読み替え、光導波層２０を導波路２０ａと読み替え、第１駆動回路１１０を第２駆動回路２１０と読み替えればよい。このため、位相シフタ８０における屈折率変調についての詳細な説明は省略する。

各位相シフタ８０における導波路２０ａは、電圧の印加または温度変化に応じて屈折率が変化する材料を含む。第２調整素子は、各位相シフタ８０における導波路２０ａに電圧を印加する、または導波路２０ａの温度を変化させることにより、導波路２０ａ内の屈折率を変化させる。これにより、第２調整素子は、複数の位相シフタ８０から複数の導波路素子１０に伝搬する光の位相の差をそれぞれ変化させることができる。

各位相シフタ８０は、光が通過するまでの間に、少なくとも２πの位相シフトが可能なように構成され得る。位相シフタ８０における導波路２０ａの単位長さあたりの屈折率の変化量が小さい場合には、導波路２０ａの長さを大きくしてもよい。例えば、位相シフタ８０の大きさは、数百マイクロメートル（μｍ）から数ミリメートル（ｍｍ）、場合によってはそれ以上であってもよい。これに対し、各導波路素子１０の長さは、例えば数十μｍから数十ｍｍ程度の値であり得る。

＜同期駆動のための構成＞
本実施形態では、第１調整素子は、複数の導波路素子１０から出射される光の方向が揃うように、各導波路素子１０を駆動する。複数の導波路素子１０から出射される光の方向を揃えるためには、例えば各導波路素子１０に個別に駆動部を設け、同期駆動すればよい。

図４０は、それぞれの導波路素子１０の電極６２から配線６４を共通に取り出す構成の例を示す図である。図４１は、一部の電極６２および配線６４を共通にした構成の例を示す図である。図４２は、複数の導波路素子１０に対して共通の電極６２を配置した構成の例を示す図である。図４０～図４２において、直線の矢印は光の入力を示している。これらの図に示すような構成にすることで、導波路アレイ１０Ａを駆動するための配線をシンプルにすることができる。

本実施形態の構成によれば、シンプルなデバイス構成で２次元的に光をスキャンすることが可能である。例えば、Ｎ本の導波路素子１０で構成された導波路アレイを同期駆動する場合、それぞれ独立の駆動回路を設けると、Ｎ個の駆動回路が必要である。しかし、上記のように電極または配線を共通にする工夫を行えば１つの駆動回路で動作させることができる。

導波路アレイ１０Ａの前段に位相シフタアレイ８０Ａを設けた場合、それぞれの位相シフタ８０を独立に動かすためには、さらにＮ個の駆動回路が必要である。しかし、図２７の例のように位相シフタ８０をカスケード状に配置することにより、１つの駆動回路でも動作させることができる。すなわち、本開示の構成では、２個ないし２Ｎ個の駆動回路で、２次元的に光をスキャンさせる動作を実現できる。また、導波路アレイ１０Ａおよび位相シフタアレイ８０Ａをそれぞれ独立して動作させてもよいため、互いの配線が干渉することなく容易に引き出すことができる。

＜製造方法＞
導波路アレイ、位相シフタアレイ８０Ａ、およびこれらをつなぐ誘電体導波路は、半導体プロセス、３Ｄプリンター、自己組織化、ナノインプリントなど、高精度の微細加工が可能なプロセスによって製造することができる。これらのプロセスにより、小さい領域に必要な要素を集積することが可能である。

特に、半導体プロセスを利用すれば、加工精度が極めて高く、量産性も高いという利点がある。半導体プロセスを利用する場合、基板上に蒸着、スパッタ、ＣＶＤ、塗布などによって様々な材料を成膜することができる。さらに、フォトリソグラフィーとエッチングプロセスにより、微細加工が可能である。基板の材料として、例えばＳｉ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_２、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＧａＮなどを用いることができる。

＜変形例＞
続いて、本実施形態の変形例を説明する。

図４３は、位相シフタアレイ８０Ａを配置する領域を大きく確保して、導波路アレイを小さく集積した構成の例を模式的に示す図である。このような構成によれば、位相シフタ８０の導波路を構成する材料において小さな屈折率変化しか生じない場合でも、十分な位相シフト量を確保することができる。また、位相シフタ８０を熱で駆動する場合、間隔を広く取れるため、隣の位相シフタ８０に与える影響を小さくすることができる。

図４４は、２つの位相シフタアレイ８０Ａａおよび８０Ａｂが、導波路アレイ１０Ａの両側にそれぞれ配置された構成例を示す図である。この例では、光スキャンデバイス１００は、２つの光分岐器９０ａおよび９０ｂならびに２つの位相シフタアレイ８０Ａａ、８０Ａｂを、導波路アレイ１０Ａの両側に有している。図４４において点線で示されている直線の矢印は、光分岐器９０ａおよび９０ｂおよび位相シフタ８０ａおよび８０ｂを伝搬する光を示している。位相シフタアレイ８０Ａａおよび光分岐器９０ａは、導波路アレイ１０Ａの一方の側に接続され、位相シフタアレイ８０Ａｂおよび光分岐器９０ｂは、導波路アレイ１０Ａの他方の側に設けられている。光スキャンデバイス１００は、さらに、光分岐器９０ａへの光の供給と光分岐器９０ｂへの光の供給を切り替える光スイッチ９２を備えている。光スイッチ９２を切り替えることにより、図４４における左側から導波路アレイ１０Ａに光を入力する状態と、図４４における右側から導波路アレイ１０Ａに光を入力する状態とを切り替えることができる。

本変形例の構成によれば、導波路アレイ１０Ａから出射される光のＸ方向についてのスキャン範囲を拡大できるという利点がある。導波路アレイ１０Ａに片側から光を入力する構成においては、各導波路素子１０の駆動によって、光の方向を、正面方向（＋Ｚ方向）から、＋Ｘ方向または－Ｘ方向のいずれかの方向に沿ってスキャンすることができる。これに対して、本変形例では、図４４における左側の光分岐器９０ａから光を入力した場合、正面方向から＋Ｘ方向に沿って光をスキャンすることができる。一方、右側の光分岐器９０ｂから光を入力した場合、正面方向から－Ｘ方向に光をスキャンすることができる。つまり、図４４の構成では、正面から見て図４４における左右両方向に光をスキャンすることができる。このため、片側から光を入力する構成に比べて、スキャンの角度範囲を広くすることができる。光スイッチ９２は、不図示の制御回路（例えば、マイクロコントローラユニット）から電気信号で制御される。本構成例によれば、全ての素子の駆動を電気信号によって制御することができる。

以上の説明では、導波路素子１０の配列方向および導波路素子１０が延びる方向が直交している導波路アレイのみを扱ってきた。しかし、これらの方向が直交している必要はない。例えば、図４５Ａに示すような構成を用いてもよい。図４５Ａは、導波路素子１０の配列方向ｄ１および導波路素子１０が延びる方向ｄ２が直交していない導波路アレイの構成例を示している。この例において、各導波路素子１０の光出射面は、同一平面内になくてもよい。このような構成であっても、各導波路素子１０および各位相シフタを適切に制御することにより、光の出射方向ｄ３を２次元的に変化させることができる。

図４５Ｂは、導波路素子１０の配列間隔が一定でない導波路アレイの構成例を示している。このような構成を採用する場合であっても、各位相シフタによる位相シフト量を適切に設定することにより、２次元スキャンを行うことができる。図４５Ｂの構成においても、導波路アレイの配列方向ｄ１と、各導波路素子１０の延びる方向ｄ２とが直交していなくてもよい。

＜応用例＞
図４６は、回路基板（すなわち、チップ）上に光分岐器９０、導波路アレイ１０Ａ、位相シフタアレイ８０Ａ、および光源１３０などの素子を集積した光スキャンデバイス１００の構成例を示す図である。光源１３０は、例えば、半導体レーザーなどの発光素子であり得る。この例における光源１３０は、自由空間における波長がλである単一波長の光を出射する。光分岐器９０は、光源１３０からの光を分岐して複数の位相シフタにおける導波路に導入する。図４６の構成例において、チップ上には電極６２ａと、複数の電極６２ｂとが設けられている。導波路アレイ１０Ａには、電極６２ａから制御信号が供給される。位相シフタアレイ８０Ａにおける複数の位相シフタ８０には、複数の電極６２ｂから制御信号がそれぞれ送られる。電極６２ａ、６２ｂは、上記の制御信号を生成する不図示の制御回路に接続され得る。制御回路は、図４６に示すチップ上に設けられていてもよいし、光スキャンデバイス１００における他のチップに設けられていてもよい。

図４６に示すように、全てのコンポーネントをチップ上に集積することで、小型のデバイスで広範囲の光スキャンが実現できる。例えば２ｍｍ×１ｍｍ程度のチップに、図４６に示される全てのコンポーネントを集積することができる。

図４７は、光スキャンデバイス１００から遠方にレーザーなどの光ビームを照射して２次元スキャンを実行している様子を示す模式図である。２次元スキャンは、ビームスポット３１０を水平および垂直方向に移動させることによって実行される。例えば、公知のＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）法と組み合わせることで、２次元の測距画像を取得することができる。ＴＯＦ法は、レーザーを照射して対象物からの反射光を観測することで、光の飛行時間を算出し、距離を求める方法である。

図４８は、そのような測距画像を生成することが可能な光検出システムの一例であるライダー（ＬｉＤＡＲ）システム３００の構成例を示すブロック図である。ライダーシステム３００は、光スキャンデバイス１００と、光検出器４００と、信号処理回路６００と、制御回路５００とを備えている。光検出器４００は、光スキャンデバイス１００から出射され、対象物から反射された光を検出する。光検出器４００は、例えば光スキャンデバイス１００から出射される光の波長λに感度を有するイメージセンサ、またはフォトダイオードなどの受光素子を含むフォトディテクタであり得る。光検出器４００は、受光した光の量に応じた電気信号を出力する。信号処理回路６００は、光検出器４００から出力された電気信号に基づいて、対象物までの距離を計算し、距離分布データを生成する。距離分布データは、距離の２次元分布を示すデータ（すなわち、測距画像）である。制御回路５００は、光スキャンデバイス１００、光検出器４００、および信号処理回路６００を制御するプロセッサである。制御回路５００は、光スキャンデバイス１００からの光ビームの照射のタイミングおよび光検出器４００の露光および信号読出しのタイミングを制御し、信号処理回路６００に、測距画像の生成を指示する。

２次元スキャンにおいて、測距画像を取得するフレームレートとして、例えば一般的に動画でよく使われる６０ｆｐｓ、５０ｆｐｓ、３０ｆｐｓ、２５ｆｐｓ、２４ｆｐｓなどから選択することができる。また、車載システムへの応用を考慮すると、フレームレートが大きいほど測距画像を取得する頻度が上がり、精度よく障害物を検知できる。例えば、６０ｋｍ／ｈでの走行時において、６０ｆｐｓのフレームレートでは車が約２８ｃｍ移動するごとに画像を取得することができる。１２０ｆｐｓのフレームレートでは、車が約１４ｃｍ移動するごとに画像を取得することができる。１８０ｆｐｓのフレームレートでは車が、約９．３ｃｍ移動するごとに、画像を取得することができる。

１つの測距画像を取得するために必要な時間は、ビームスキャンの速度に依存する。例えば、解像点数が１００×１００のイメージを６０ｆｐｓで取得するためには１点につき１．６７μｓ以下でビームスキャンをする必要がある。この場合、制御回路５００は、６００ｋＨｚの動作速度で、光スキャンデバイス１００による光ビームの出射、および光検出器４００による信号蓄積・読出しを制御する。

＜光受信デバイスへの応用例＞
本開示における光スキャンデバイスは、ほぼ同一の構成で、光受信デバイスとしても用いることができる。光受信デバイスは、光スキャンデバイスと同一の導波路アレイ１０Ａと、受信可能な光の方向を調整する第１調整素子６０とを備える。導波路アレイ１０Ａの各第１のミラー３０は、第３の方向から第１の反射面の反対側に入射する光を透過させる。導波路アレイ１０Ａの各光導波層２０は、第２の方向に第１のミラー３０を透過した光を伝搬させる。第１調整素子６０が各導波路素子１０における前記光導波層２０の屈折率および厚さの少なくとも一方を変化させることにより、受信可能な光の方向を変化させることができる。さらに、光受信デバイスが、光スキャンデバイスと同一の複数の位相シフタ８０、または８０ａおよび８０ｂと、複数の導波路素子１０から複数の位相シフタ８０、または８０ａおよび８０ｂを通過して出力される光の位相の差をそれぞれ変化させる第２調整素子を備えている場合には、受信可能な光の方向を２次元的に変化させることができる。

例えば図４６に示す光スキャンデバイス１００における光源１３０を受信回路に置換した光受信デバイスを構成することができる。導波路アレイ１０Ａに波長λの光が入射すると、その光は位相シフタアレイ８０Ａを通じて光分岐器９０へ送られ、最終的に一箇所に集められ、受信回路に送られる。その一箇所に集められた光の強度は、光受信デバイスの感度を表すといえる。光受信デバイスの感度は、導波路アレイ１０Ａおよび位相シフタアレイ８０Ａに別々に組み込まれた調整素子によって調整することができる。光受信デバイスでは、例えば図２２において、波数ベクトル（太い矢印）の方向が反対になる。入射光は、導波路素子１０が延びる方向（Ｘ方向）の光成分と、導波路素子１０の配列方向（Ｙ方向）の光成分とを有している。Ｘ方向の光成分の感度は、導波路アレイに組み込まれた調整素子によって調整できる。一方、導波路素子１０の配列方向の光成分の感度は、位相シフタアレイ８０Ａに組み込まれた調整素子によって調整できる。光受信デバイスの感度が最大になるときの光の位相差Δφ、光導波層２０の屈折率ｎ_ｗおよび厚さｄから、θおよびα_０（式（１６）および式（１７））がわかる。このため、光の入射方向を特定することができる。上述した実施形態および変形例は、適宜、組み合わせることができる。

本開示の実施形態における光スキャンデバイスおよび光受信デバイスは、例えば自動車、ＵＡＶ、ＡＧＶなどの車両に搭載されるライダーシステムなどの用途に利用できる。

１ 導波路
２ 光導波層
３ 多層反射膜
４ 多層反射膜
５ グレーティング
６ レーザー光源
７ 光ファイバー
１０ 導波路素子（導波路）
２０ 光導波層
３０ 第１のミラー
４０ 第２のミラー
４２ 低屈折率層
４４ 高屈折率層
５０ 基板
５２ 支持部材（補助基板）
６０ 調整素子
６２ 電極
６４ 配線
６６ 電源
６８ ヒーター
７０ 支持部材
７１ 非圧電素子
７２ 圧電素子
７４ａ，７４ｂ 支持部材
８０，８０ａ，８０ｂ 位相シフタ
９０，９０ａ，９０ｂ 光分岐器
９２ 光スイッチ
１００ 光スキャンデバイス
１１０ 導波路アレイの駆動回路
１３０ 光源
２１０ 位相シフタアレイの駆動回路
３１０ ビームスポット
４００ 光検出器
５００ 制御回路
６００ 信号処理回路

Claims (21)

1. 第１の導波路と、
   第２の導波路と、
   を備え、
   前記第１の導波路は、外部媒質よりも屈折率の高い高屈折率媒質を含み、前記高屈折率媒質と前記外部媒質との界面の臨界角以上の入射角および反射角で光を全反射させることによって前記光を伝搬させ、
   前記第２の導波路は、
   第１の反射膜と、
   前記第１の反射膜に対向する第２の反射膜と、
   前記第１の導波路に直接的またはギャップを持って繋がり、前記第１の反射膜と前記第２の反射膜の間に位置する第１の光導波層と、
   を備え、
   前記第１の光導波層は、前記第１の導波路の中心線の延長線と重なり、
   前記第１の光導波層内を伝搬する前記光の一部を、前記第２の導波路の外部に出射する、または、前記第２の導波路に入射した光の一部を、前記第１の光導波層内に導入する、
   光デバイス。
2. 第１の導波路と、
   第２の導波路と、
   第３の導波路と、
   を備え、
   前記第１の導波路は、外部媒質よりも屈折率の高い高屈折率媒質を含み、前記高屈折率媒質と前記外部媒質との界面の臨界角以上の入射角および反射角で光を全反射させることによって前記光を伝搬させ、
   前記第２の導波路は、
   第１の反射膜と、
   前記第１の反射膜に対向する第２の反射膜と、
   前記第１の反射膜と前記第２の反射膜の間に位置する第１の光導波層と、
   を備え、
   前記第３の導波路は、
   第３の反射膜と、
   前記第３の反射膜に対向する第４の反射膜と、
   前記第３の反射膜と前記第４の反射膜の間に位置する第２の光導波層と、
   を備え、
   前記第２の光導波層は、前記第１の導波路に直接的またはギャップを持って繋がり、前記第１の導波路を伝搬した前記光を伝搬させ、
   前記第１の光導波層は、前記第２の光導波層に直接的に繋がり、前記第２の光導波層を伝搬した前記光を伝搬させ、
   前記第１の光導波層は、前記第２の光導波層の中心線の延長線と重なり、
   前記第２の光導波層は、前記第１の導波路の中心線の延長線と重なり、
   前記第１の光導波層内を伝搬する前記光の一部を、前記第２の導波路の外部に出射する、または、前記第２の導波路に入射した光の一部を、前記第１の光導波層内に導入する、
   光デバイス。
3. 前記第１の光導波層は、前記第１の導波路の導波方向と同じ方向に前記光を伝搬させる、
   請求項１または２に記載の光デバイス。
4. 前記第１の導波路と前記第２の導波路をチップ上に集積させる、
   請求項１から３のいずれかに記載の光デバイス。
5. 前記光に対する前記第１の導波路の前記高屈折率媒質の屈折率をｎ_ｗ１、前記光に対する前記第１の光導波層の前記屈折率をｎ_ｗ２とするとき、ｎ_ｗ１およびｎ_ｗ２は、
   ｜ｎ_ｗ１－ｎ_ｗ２｜／ｎ_ｗ１＜０．４
   を満たす、
   請求項１から４のいずれかに記載の光デバイス。
6. 前記光に対する前記第１の光導波層の前記屈折率をｎ_ｗ２、前記第１の光導波層の厚さをｄ_２、自由空間における前記光の波長をλとし、ｍを１以上の整数とするとき、ｎ_ｗ２およびｄ_２は、
   ０．９５×ｍλ／（２ｎ_ｗ２）＜ｄ_２＜１．５×ｍλ／（２ｎ_ｗ２）
   を満たす、
   請求項１から５のいずれかに記載の光デバイス。
7. ｎ_ｗ２およびｄ_２は、
   １．２×ｍλ／（２ｎ_ｗ２）＜ｄ_２＜１．５×ｍλ／（２ｎ_ｗ２）
   をさらに満たす、
   請求項６に記載の光デバイス。
8. 前記第１の導波路における前記第１の光導波層の厚さ方向の中心とのずれをΔｚ、前記第１の光導波層の厚さと前記第１の導波路の光導波層との絶対値の差をΔｄとし、Δｚは、
   －Δｄ／２＜Δｚ＜Δｄ／２
   を満たす、
   請求項１から７のいずれかに記載の光デバイス。
9. 前記第１の光導波層と前記第１の導波路はギャップを持って繋がり、
   前記ギャップにおける前記光の波長をλとし、前記ギャップの光学長は、λ／６．５以下を満たす、
   請求項１から８のいずれかに記載の光デバイス。
10. 前記光に対する前記第１の導波路の前記高屈折率媒質の屈折率をｎ_ｗ１、前記光に対する前記第１の光導波層の前記屈折率をｎ_ｗ２とするとき、ｎ_ｗ１およびｎ_ｗ２は、ｎ_ｗ１＞ｎ_ｗ２を満たす、
    請求項１から９のいずれかに記載の光デバイス。
11. 前記第１の導波路は、表面の一部にグレーティングを有し、前記グレーティングに入射した前記光を伝搬させる、
    請求項１から１０のいずれかに記載の光デバイス。
12. 前記第１の導波路は、前記第１の導波路の端面から入射した前記光を伝搬させる、
    請求項１から１０のいずれかに記載の光デバイス。
13. 複数の導波路ユニットを備え、
    前記複数の導波路ユニットの各々は、
    第１の導波路と、
    第２の導波路と、
    を備え、
    前記第１の導波路は、外部媒質よりも屈折率の高い高屈折率媒質を含み、前記高屈折率媒質と前記外部媒質との界面の臨界角以上の入射角および反射角で光を全反射させることによって前記光を伝搬させ、
    前記第２の導波路は、
    第１の反射膜と、
    前記第１の反射膜に対向する第２の反射膜と、
    前記第１の導波路に直接的またはギャップを持って繋がり、前記第１の反射膜と前記第２の反射膜の間に位置する第１の光導波層と、
    を備え、
    前記第１の光導波層は、前記第１の導波路の中心線の延長線と重なり、
    前記第１の光導波層内を伝搬する前記光の一部を、前記第２の導波路の外部に出射する、または、前記第２の導波路に入射した光の一部を、前記第１の光導波層内に導入する、
    光デバイス。
14. 複数の導波路ユニットを備え、
    前記複数の導波路ユニットの各々は、
    第１の導波路と、
    第２の導波路と、
    第３の導波路と、
    を備え、
    前記第１の導波路は、外部媒質よりも屈折率の高い高屈折率媒質を含み、前記高屈折率媒質と前記外部媒質との界面の臨界角以上の入射角および反射角で光を全反射させることによって前記光を伝搬させ、
    前記第２の導波路は、
    第１の反射膜と、
    前記第１の反射膜に対向する第２の反射膜と、
    前記第１の反射膜と前記第２の反射膜の間に位置する第１の光導波層と、
    を備え、
    前記第３の導波路は、
    第３の反射膜と、
    前記第３の反射膜に対向する第４の反射膜と、
    前記第３の反射膜と前記第４の反射膜の間に位置する第２の光導波層と、
    を備え、
    前記第２の光導波層は、前記第１の導波路に直接的またはギャップを持って繋がり、前記第１の導波路を伝搬した前記光を伝搬させ、
    前記第１の光導波層は、前記第２の光導波層の中心線の延長線と重なり、
    前記第２の光導波層は、前記第１の導波路の中心線の延長線と重なり、
    前記第１の光導波層内を伝搬する前記光の一部を、前記第２の導波路の外部に出射する、または、前記第２の導波路に入射した光の一部を、前記第１の光導波層内に導入し、
    光デバイス。
15. 前記複数の導波路ユニットの各々において前記第２の導波路に伝搬する前記光の位相を調整する、
    請求項１３または１４に記載の光デバイス。
16. 複数の位相シフタをさらに備え、
    前記複数の位相シフタの各々は、対応する前記第１の導波路に繋がる第４の導波路を備え、
    各位相シフタの前記第４の導波路は、電圧の印加または温度変化に応じて屈折率が変化する材料を含み、
    各位相シフタの前記第４の導波路に電圧を印加することにより、または各位相シフタの前記第４の導波路の温度を変化させることにより、前記第４の導波路の屈折率を変化させ、前記複数の導波路ユニットの各々において前記第２の導波路に伝搬する前記光の位相を調整する、
    請求項１５に記載の光デバイス。
17. 前記光を出射する光源と、
    前記光源からの前記光を分岐して前記複数の位相シフタの各々の前記第４の導波路に導入する光分岐器と、
    をさらに備える、
    請求項１６に記載の光デバイス。
18. 一体に構成された第５の反射膜をさらに備え、
    前記複数の導波路ユニットの各々の前記第１の反射膜は、前記第５の反射膜の一部である、
    請求項１３から１７のいずれかに記載の光デバイス。
19. 一体に構成された第６の反射膜をさらに備え、
    前記複数の導波路ユニットの各々の前記第２の反射膜は、前記第６の反射膜の一部である、
    請求項１３から１８のいずれかに記載の光デバイス。
20. 請求項１から１９のいずれかに記載の光デバイスと、
    前記光デバイスから出射され、対象物から反射された光を検出する光検出器と、
    前記光検出器の出力に基づいて、距離分布データを生成する信号処理回路と、
    を備える、
    光検出システム。
21. 前記第１の光導波層は、前記第１の導波路の端面に直接的に繋がる端面を有する、
    請求項１に記載の光デバイス。

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