JP2024026881A - 光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡単な構成で、導波路間の光結合を実現し得る新規な光デバイスを提供する。【解決手段】光デバイスは、第１の方向に延びる第１の導波路と、第１の方向に延びる第２の導波路であって、第１の反射面を有する第１のミラーと、第１の反射面に対向する第２の反射面を有する第２のミラーと、第１のミラーと第２のミラーの間の光導波層と、を備える第２の導波路と、を備え、第１の導波路および第２の導波路の少なくとも一方は、第１の反射面に垂直な方向から見た場合に第１のミラー、第２のミラー、および第１の導波路が重なる領域の一部に１つ以上のグレーティングを有し、１つ以上のグレーティングは、重なる領域における第１のミラーまたは第２のミラーの端部から、第１の方向に、前記第１のミラーの厚さおよび第２のミラーの厚さの少なくとも一方よりも長い距離だけ離れている。【選択図】図８Ａ

Description

本開示は、光デバイスに関する。

従来、光で空間を走査（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（すなわち、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。

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。

特許文献４は、全反射によって光を伝搬させる第１の導波路と、２つの多層反射膜の間に光を伝搬させる第２の導波路とを備える光スキャンデバイスを開示している。第１の導波路および第２の導波路は、接続されている。

国際公開第２０１３／１６８２６６号 特表２０１６－５０８２３５号公報 特開２０１３－１６５９１号公報 国際公開第２０１８／０６１５１４号

本開示の一態様は、比較的簡単な構成で、導波路間の光結合を実現し得る新規な光デバイスを提供する。

本開示の一態様に係る光デバイスは、第１の方向に延びる第１の導波路と、前記第１の導波路に接続された第２の導波路であって、第１の反射面を有する第１のミラーと、前記第１の反射面に対向する第２の反射面を有する第２のミラーと、前記第１のミラーと前記第２のミラーの間の光導波層であって、前記第１の導波路の先端部を含む部分を内包する光導波層と、を備える第２の導波路と、を備える。前記第１の導波路および前記第２の導波路の少なくとも一方は、前記第１の反射面に垂直な方向から見た場合に前記第１のミラー、前記第２のミラー、および前記第１の導波路が重なる接続領域の一部に１つ以上のグレーティングを有する。前記１つ以上のグレーティングは、前記接続領域における前記第１のミラーまたは前記第２のミラーの端部から、前記第１の方向に、前記第１のミラーの厚さおよび前記第２のミラーの厚さの少なくとも一方よりも長い距離だけ離れている。

本開示の包括的または具体的な態様は、デバイス、システム、方法、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、導波路間の光結合を実現することができる。

図１は、光スキャンデバイスの例を模式的に示す斜視図である。 図２は、１つの導波路素子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３Ａ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３Ｂ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４は、３次元空間における導波路アレイの例を模式的に示す斜視図である。 図５は、導波路アレイおよび位相シフタアレイを、光出射面の法線方向（Ｚ方向）から見た模式図である。 図６は、第１のミラーの端部の形状が加工によって変化した光デバイスの例を模式的に示す図である。 図７は、光導波層の厚さの変化と、第１のミラーからの出射光の広がり角との関係を示す図である。 図８Ａは、本開示の例示的な実施形態における光デバイスを模式的に示す図である。 図８Ｂは、図８Ａに示す全反射導波路およびスローライト導波路の接続をＺ方向から見た模式図である。 図９は、界面からグレーティングまでの距離がより長い光デバイスの例を模式的に示す図である。 図１０Ａは、図８Ａに示す光デバイスの第１の変形例を模式的に示す図である。 図１０Ｂは、図８Ａに示す光デバイスの第２の変形例を模式的に示す図である。 図１０Ｃは、図８Ａに示す光デバイスの第３の変形例を模式的に示す図である。 図１１Ａは、図８Ａに示す光デバイスの第４の変形例を模式的に示す図である。 図１１Ｂは、図８Ａに示す光デバイスの第５の変形例を模式的に示す図である。 図１２は、回路基板上に光分岐器、導波路アレイ、位相シフタアレイ、および光源などの素子を集積した光スキャンデバイスの構成例を示す図である。 図１３は、光スキャンデバイス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１４は、測距画像を生成することが可能なＬｉＤＡＲシステムの構成例を示すブロック図である。

本明細書において、「屈折率、厚さ、および波長の少なくとも１つ」とは、光導波層の屈折率、光導波層の厚さ、および光導波層に入力される波長からなる群から選択される少なくとも１つを意味する。光の出射方向を変化させるために、屈折率、厚さ、および波長のいずれか１つを単独で制御してもよい。あるいは、これらの３つのうちの任意の２つまたは全てを制御して光の出射方向を変化させてもよい。屈折率または厚さの制御に代えて、または加えて、光導波層に入力される光の波長を制御してもよい。

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。屈折率、厚さ、および波長の少なくとも１つ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）システムなどの光検出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。本明細書において、光スキャンデバイスと光受信デバイスを「光デバイス」と総称することがある。また、光スキャンデバイスまたは光受信デバイスに使用されるデバイスについても「光デバイス」と称することがある。

＜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。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、これらによって特許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。

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。

図１は、光スキャンデバイス１００の例を模式的に示す斜視図である。光スキャンデバイス１００は、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の各々は、第１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１の方向に交差する第２の方向（図１におけるＹ方向）に規則的に配列されている。複数の導波路素子１０は、第１の方向に光を伝搬させながら、第１および第２の方向に平行な仮想的な平面に交差する第３の方向Ｄ３に光を出射させる。本開示では、第１の方向（Ｘ方向）と第２の方向（Ｙ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。本開示では、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、実施の際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、それぞれを単に「ミラー」と称する場合がある）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およびミラー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およびミラー４０、ならびに光導波層２０は、第１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３０およびミラー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の屈折率もしくは厚さ、または光導波層２０に入力される光の波長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に示すように、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。本開示では、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、厚さ、および波長の少なくとも１つ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、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、光の伝搬角度に制約がない。ここで光の伝搬角度とは、ミラー３０またはミラー４０と光導波層２０との界面への入射角度を意味する。ミラー３０またはミラー４０に対して、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は、「反射型導波路」または「スローライト導波路」とも称される。

導波路素子１０から空気中に出射される光の出射角度θは、以下の式（１）によって表される。

式（１）からわかるように、空気中での光の波長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。

そこで、本開示の光スキャンデバイス１００では、光導波層２０に入力される光の波長λ、光導波層２０の屈折率ｎ_ｗ、および光導波層２０の厚さｄの少なくとも１つを制御することにより、光の出射方向が制御される。光の波長λは、動作中に変化させず、一定に維持されてもよい。その場合、よりシンプルな構成で光のスキャンを実現できる。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から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から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。

出射光の方向を変化させるために、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、厚さ、および波長の少なくとも１つを変化させる第１調整素子を備え得る。

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、厚さｄ、および波長λの少なくとも１つを変化させることにより、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。少なくとも１つの導波路素子１０を用いることにより、このような１次元のスキャンを実現することができる。

光導波層２０の少なくとも一部の屈折率を調整するために、光導波層２０は、液晶材料または電気光学材料を含んでいてもよい。光導波層２０は、一対の電極によって挟まれ得る。一対の電極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ができる。

光導波層２０の厚さを調整するために、例えば、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少なくとも１つのアクチュエータが接続されてもよい。少なくとも１つのアクチュエータによって第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ことができる。光導波層２０が液体から形成されていれば、光導波層２０の厚さは容易に変化し得る。

＜２次元スキャンの動作原理＞
複数の導波路素子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３Ａ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３Ａ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。本開示の導波路アレイは、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３Ａ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３Ａに示す例では、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３Ｂ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３Ｂに示す例では、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。隣接する２つの導波路素子１０の間の中心間距離をｐとすると、光の出射角度α_０は、以下の式（２）によって表される。

図２に示す例では、光の出射方向は、ＸＺ平面に平行である。すなわち、α_０＝０°である。図３Ａおよび図３Ｂに示す例では、光スキャンデバイス１００から出射される光の方向は、ＹＺ平面に平行である。すなわち、θ＝０°である。しかし、一般には、光スキャンデバイス１００から出射される光の方向は、ＸＺ平面にも、ＹＺ平面にも平行ではない。すなわち、θ≠０°およびα_０≠０°である。

図４は、３次元空間における導波路アレイの例を模式的に示す斜視図である。図４に示す太い矢印は、光スキャンデバイス１００から出射される光の方向を表す。θは、光の出射方向とＹＺ平面とがなす角度である。θは式（１）を満たす。α_０は、光の出射方向とＸＺ平面とがなす角度である。α_０は式（２）を満たす。

＜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、例えば、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が設けられ得る。本開示の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（すなわち、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」と称することがある。

図５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５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よい。それぞれの位相シフタ８０の長さが等しい場合は、例えば、駆動電圧によってそれぞれの位相シフト量を調整することができる。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により、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とをさらに備える。図５に示す直線の矢印は光の入力を表している。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、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、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よい。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。

上記の光スキャンデバイス１００と同様の構成を有する光デバイスは、光受信デバイスとしても利用できる。光デバイスの動作原理、および動作方法などの詳細は、米国特許出願公開第２０１８／０２２４７０９号に開示されている。この文献の開示内容全体を本明細書に援用する。

＜全反射導波路およびスローライト導波路の接続＞
次に、全反射導波路およびスローライト導波路を接続することにより、全反射導波路からスローライト導波路に光を入力する例を説明する。

図６は、全反射導波路１およびスローライト導波路１０が接続された光デバイスの例を模式的に示す断面図である。本明細書では、全反射導波路１を「第１の導波路１」と称し、スローライト導波路１０を「第２の導波路１０」と称することがある。ひとまず、第１のミラー３０の端部３０ｅの形状を考慮せずに、図６に示す光デバイスを説明する。

全反射導波路１のうち、少なくとも先端部は、Ｘ方向に延びた構造を有する。スローライト導波路１０は、全反射導波路１に接続されている。スローライト導波路１０における光導波層２０は、全反射導波路１の先端部を含む部分を内包している。光導波層２０の屈折率は、全反射導波路１の屈折率よりも低い。Ｚ方向から見たとき、全反射導波路１およびスローライト導波路１０が重なる接続領域１１１において、全反射導波路１は、Ｘ方向に沿って屈折率が周期ｐで変化するグレーティング１５を備える。接続領域１１１は、Ｚ方向から見たとき、第１のミラー３０、第２のミラー４０、および全反射導波路１が重なる領域であると言うこともできる。図６に示すグレーティング１５は、Ｘ方向に並ぶ４つの凹部を有する。実際には、さらに多数の凹部が、グレーティング１５に設けられ得る。凹部に代えて、凸部が設けられていてもよい。グレーティング１５におけるＸ方向に並ぶ凹部または凸部の個数は、例えば４以上が望ましい。また、凹部または凸部の個数は、４以上６４以下であり得る。ある例では、凹部または凸部の個数は、８以上３２以下であり得る。ある例では、凹部または凸部の個数は、８以上１６以下であり得る。凹部または凸部の個数は、各凹部または凸部の回折効率に応じて調整され得る。各凹部または凸部の回折効率は、その深さまたは高さ、および幅などの寸法条件に依存する。したがって、グレーティング１５全体として良好な特性が得られるように、各凹部または凸部の寸法に応じて、それらの個数は調整される。

全反射導波路１は、接続領域１１１において、第１のミラー３０の反射面に対向する第１の表面１ｓ_１、および第２のミラー４０の反射面に対向する第２の表面１ｓ_２を有する。図６に示す例では、グレーティング１５は、全反射導波路１の第１の表面１ｓ_１に設けられている。グレーティング１５は、第２の表面１ｓ_２に設けられていてもよい。グレーティング１５は、全反射導波路１の第１の表面１ｓ_１および第２の表面１ｓ_２の少なくとも一方に設けられ得る。

グレーティング１５は、全反射導波路１とスローライト導波路１０との界面に限らず、他の位置に設けられていてもよい。また、複数のグレーティングが設けられていてもよい。第１のミラー３０の反射面に垂直な方向から見て全反射導波路１およびスローライト導波路１０が重なる接続領域１１１において、全反射導波路１およびスローライト導波路１０の少なくとも一部は、少なくとも１つのグレーティングを含み得る。各グレーティングは、全反射導波路１およびスローライト導波路１０が延びるＸ方向に沿って屈折率が周期的に変化する。

全反射導波路１のうち、光導波層２０の外部に位置する部分は、他の誘電体層によって支持されてもよいし、２つの誘電体層によって挟まれていてもよい。

接続領域１１１の長さは、例えば、３μｍから５０μｍ程度であり得る。そのような大きさの接続領域１１１の内部に、８周期から３２周期程度のグレーティング１５が形成され得る。非接続領域１１２の長さは、例えば、１００μｍから５ｍｍ程度であり得る。接続領域１１１の長さは、例えば非接続領域１１２の長さの数百分の１から数十分の１程度であり得る。ただし、この長さに限定されず、必要な特性に応じて各部材の寸法は決定される。

接続領域１１１において、第１のミラー３０は、第２のミラー４０よりも高い透過率を有していなくてもよい。スローライト導波路１０のうち、接続領域１１１以外の非接続領域１１２においても、接続領域１１１に近い領域では、第１のミラー３０は、第２のミラー４０よりも高い透過率を有していなくてもよい。接続領域１１１は、光の結合効率を高めるために設けられる。このため、接続領域１１１の近傍では、スローライト導波路１０は、必ずしも光を出射する必要はない。

全反射導波路１における導波モードの伝搬定数をβ_１＝２πｎ_ｅ１／λとし、スローライト導波路１０における導波モードの伝搬定数をβ_２＝２πｎ_ｅ２／λとする。λは、空気中における光の波長である。ｎ_ｅ１およびｎ_ｅ２は、それぞれ全反射導波路１およびスローライト導波路１０における実効屈折率（等価屈折率とも称する）である。全反射導波路１内を伝搬する光は、外部の空気とは結合しない。そのような導波モードの実効屈折率は、ｎ_ｅ１＞１である。一方、スローライト導波路１０における光導波層２０を伝搬する光の一部は、外部の空気に出射される。そのような導波モードの実効屈折率は、０＜ｎ_ｅ２＜１である。したがって、β_１とβ_２とは大きく異なる。そのため、一般に、全反射導波路１からスローライト導波路１０への導波光の結合効率は低い。

接続領域１１１において、全反射導波路１がグレーティング１５を備える場合、グレーティング１５に起因する回折が生じる。その場合、全反射導波路１における導波モードの伝搬定数β_１は、逆格子２π／ｐの整数倍だけシフトする。例えば－１次回折によってβ_１がβ_１－（２π／ｐ）にシフトする場合、ｐを適切に設定すれば、β_１－（２π／ｐ）＝β_２が成り立つようにすることができる。その場合、接続領域１１１における２つの伝搬定数が一致するため、導波光は全反射導波路１からスローライト導波路１０に高い効率で結合する。β_１－（２π／ｐ）＝β_２から、周期ｐは以下の式（３）によって表される。

０＜ｎ_ｅ２＜１であることから、周期ｐは、以下の式（４）を満たす。

スローライト導波路１０において、接続領域１１１と、それ以外の非接続領域１１２とでは、同じ導波モードであることから、導波光は高い効率で結合する。

前述の例では、第１の導波路１と第２の導波路１０とが重なる接続領域１１１の全体にわたってグレーティングが設けられている。しかし、本開示の光デバイスの構造は、そのような構造に限定されない。グレーティングは、接続領域１１１の一部、例えば、接続領域１１１のうち、第１の導波路１の先端に近い部位にのみ設けられていてもよい。言い換えれば、接続領域１１１のうち、第１の導波路１の先端から離れた部位には、グレーティングが設けられていなくてもよい。本開示のある実施形態においては、１つ以上のグレーティングが、光導波層２０および第１の導波路１の両方に接する媒質（例えば空気）と光導波層２０との界面から、第１の方向に、第１のミラー３０の厚さおよび第２のミラー４０の厚さの少なくとも一方よりも長い距離だけ離れた位置に設けられる。そのような構造によれば、光導波層２０の厚さが均一でない場合であっても、良好な光出射特性を実現し易いことが、本発明者らの検討により、明らかになった。

前述した例では、光導波層２０の厚さは、Ｘ方向に沿って一定であると仮定していた。しかし、実際には、様々な原因により、光導波層２０の厚さがＸ方向に沿って変化し得る。以下では、光導波層２０の厚さがＸ方向に沿って変化することによる影響を、詳しく説明する。以下の説明では、グレーティングの数は１つであるが、グレーティングの数は２以上であってもよい。

図７は、光導波層２０の厚さの変化率と、第１のミラー３０からの出射光の広がり角との関係の計算結果の例を示す図である。図７の例における光導波層２０の厚さの変化率の範囲は、０ｎｍ／ｍｍから１００ｎｍ／ｍｍである。ここで「厚さの変化率」とは、光導波層２０の長さ方向、すなわち第１の方向に沿った１ｍｍの変位に対する厚さの変化量を意味する。０ｎｍ／ｍｍは、光導波層２０の厚さがＸ方向に沿って実質的に変化しないことを表す。１００ｎｍ／ｍｍは、光導波層２０の長さ方向に沿った１ｍｍの変位に対して、光導波層２０の厚さが１００ｎｍ変化することを表す。

本計算では、光導波層２０の厚さを２．１５μｍ、屈折率を１．６８として、光導波層２０の厚さがＸ方向に沿って変化する導波路を仮定した。第１のミラー３０の出射面から出射される光の複素振幅を求め、これに２次元離散フーリエ変換を施すことにより、遠方における出射光の角度スペクトルが計算された。以下の説明では、出射光の広がり角は、角度スペクトルにおける出射光の半値全幅として記述される。

図７に示すように、光導波層２０の厚さの変化率が１０ｎｍ／ｍｍ程度である場合、出射光の広がり角は、光導波層２０の厚さが一定である場合とほぼ同じである。しかし、光導波層２０の厚さの変化率が２０ｎｍ／ｍｍ以上である場合、出射光の広がり角は、光導波層２０の傾きに対してほぼ単調に増加する。このような出射光の広がりは、光導波層２０の不均一な厚さにより、第１のミラー３０から出射される光の位相分布が乱れることに起因する。出射光の広がり角が大きいと、出射光の直進性が失われる。特に、全反射導波路１とスローライト導波路１０とが接続される接続領域１１１では、接続領域１１１から光がさらに進行した部位よりも、第１のミラー３０から出射される光の強度が高い。したがって、接続領域１１１における光導波層２０の厚さが一定でなければ、接続領域１１１における第１のミラー３０から光が出射された場合に、比較的強い出射光が過度に広がる可能性がある。

光導波層２０の厚さが変化する原因として、加工により、第１のミラー３０の端部の形状が変化することが考えられる。図６に示すように、第１のミラー３０の端部３０ｅは、例えば、エッチング加工によって傾斜し得る。さらに、光導波層２０の厚さが変化する他の原因として、第１のミラー３０および／または第２のミラー４０の反りが考えられる。

以下では、光導波層２０の厚さの変化による影響を抑制する光デバイスの例を説明する。

図８Ａは、本開示の例示的な実施形態における光デバイスを模式的に示す図である。光デバイスの周囲の媒質は、例えば空気である。光導波層２０および全反射導波路１の両方に接する媒質と、光導波層２０との界面２０ｉは、全反射導波路１を囲む。本実施形態において、第１のミラー３０および第２のミラー４０のＸ方向の端部は一致している。よって、本実施形態における接続領域１１１の端面２０ｉは、第１のミラー３０および第２のミラー４０の端部を通り、且つＹ方向およびＺ方向に並行な面である。当該端面２０ｉが本実施形態における接続領域１１１の端部である。また本実施形態においては、上記の媒質と光導波層２０との界面２０ｉが、接続領域１１１の端面２０ｉと一致する。図８Ａに示すように、グレーティング１５は、図６に示す例と比較して、第１のミラー３０の端部３０ｅから離れて、光導波層２０のより内部に位置する。第１のミラー３０の端部３０ｅの傾斜部をＸ方向に射影したときの長さが第１のミラー３０の厚さを超える場合、信頼性の観点から、そのような第１のミラー３０は光デバイスには用いられない。このため、実際に光デバイスに用いられる第１のミラー３０では、端部３０ｅの傾斜部をＸ方向に射影したときの長さは、第１のミラー３０の厚さ以下である。第１のミラー３０の厚さは、例えば、３μｍであり得る。第２のミラー４０が、端面２０ｉ付近において、第１のミラー３０のような端面を有する場合についても同様である。したがって、光導波層２０の厚さの変化による影響を抑制するために、グレーティング１５は、端面２０ｉから、Ｘ方向に、第１のミラー３０の厚さおよび第２のミラー４０の厚さの少なくとも一方よりも長い距離だけ離れて配置され得る。言い換えれば、Ｘ方向における端面２０ｉからグレーティング１５までの距離Ｌ_０は、第１のミラー３０の厚さおよび第２のミラー４０の厚さの少なくとも一方よりも長い。ここで端面２０ｉからグレーティング１５までの距離Ｌ_０は、グレーティング１５の２つの端部のうち、端面２０ｉに近い方の端部と、端面２０ｉとの距離を意味する。

図８Ｂは、図８Ａに示す全反射導波路１およびスローライト導波路１０の接続をＺ方向から見た模式図である。図８Ｂに示す例では、全反射導波路１のうち、光導波層２０の外側において、全反射導波路１は、スローライト導波路１０に近づくにつれて、幅が単調に増加する部分を含む。すなわち、全反射導波路１の一部は、テーパー構造１ｔを有する。光導波層２０から遠い部分における全反射導波路１の幅ｗ_ｗは、結合部である接続領域１１１における全反射導波路１の幅ｗｃよりも狭い。幅ｗ_ｗは、幅ｗ_ｃの例えば１００分の１から２分の１程度であり得る。全反射導波路１のうち、幅の狭い導波路部分１ｗと、幅の広い導波路部分１ｃとの間にテーパー構造１ｔが存在する。このような構造を採用すれば、幅の狭い導波路部分１ｗを伝搬する光が、幅の広い導波路部分１ｃに入射するときの反射を抑制することができる。

ところで、第１のミラー３０および／または第２のミラー４０の反りは、第１のミラー３０および／または第２のミラー４０のＸ方向における中心付近において最も小さくなる。このため、グレーティング１５は、光導波層２０内の第１のミラー３０および／または第２のミラー４０のＸ方向における中心付近に位置していてもよい。一方、端面２０ｉからグレーティング１５までの距離Ｌ_０が短い方が、全反射導波路１のうち、光導波層２０の内部に位置する部分に欠陥および／またはパーティクルが発生する確率が小さくなる。したがって、端面２０ｉからグレーティング１５までの距離Ｌ_０、およびグレーティング１５の長さＬ_ｇの合計Ｌ_０＋Ｌ_ｇは、第１のミラー３０の長さの半分および第２のミラー４０の長さの半分のいずれか短い方よりも短くてもよい。Ｌ_０＋Ｌ_ｇは、図８Ａに示す接続領域１１１の長さに相当する。図８Ａに示す第１のミラー３０および第２のミラー４０の各々の全体の長さは、特に限定されないが、例えば、３００μｍ以上１０ｍｍ以下であり得る。ある例において、当該長さは、１ｍｍ以上５ｍｍ以下、例えば約２ｍｍであり得る。

接続領域１１１は、グレーティングを含まない第１接続領域１１１ａと、グレーティング１５を含む第２接続領域１１１ｂとに分けることができる。第１接続領域１１１ａの長さはＬ_０であり、第２接続領域１１１ｂの長さはＬ_ｇである。第１接続領域１１１ａの長さＬ_０は、例えば３μｍ以上１ｍｍ以下であり得る。当該長さＬ_０は、１０μｍ以上１ｍｍ以下であってもよい。他の例では、当該長さＬ_０は、１５０μｍ以上１ｍｍ以下に設定され得る。

次に、端面２０ｉからグレーティング１５までの距離Ｌ_０がより長い光デバイスの例を説明する。

図９は、端面２０ｉからグレーティング１５までの距離Ｌ_０がより長い光デバイスの例を模式的に示す図である。端面２０ｉからグレーティング１５までの距離Ｌ_０は、例えば、スローライト導波路１０をＸ方向に沿って伝搬する光の強度が１／ｅ倍に減衰するのに要する減衰距離よりも長い値に設定され得る。ｅは、自然対数の底である。当該減衰距離は、例えば、約１５０μｍから約２００μｍ、またはそれ以上であり得る。当該減衰距離は、Ｚ方向から見たときに第１のミラー３０と第２のミラー４０とが重なる領域の長さの数十分の１以上であり得る。式（３）が満たされないとき、全反射導波路１を伝搬する光は、非接続領域１１２には伝搬せず、光導波層２０内にある全反射導波路１の端面１ｅによって反射される。反射された光の一部は、接続領域１１１における光導波層２０内に漏れ、－Ｘ方向に伝搬する。これにより、光導波層２０内を－Ｘ方向に伝搬する光を、接続領域１１１における第１のミラー３０から、後方に出射することができる。さらに、光導波層２０が液晶材料または電気光学材料を含む場合、式（３）を満たすように光導波層２０の屈折率を調整することにより、光の出射方向を後方から前方に切り替えること、およびその逆が可能になる。なお、「前方」とは、スローライト導波路１０から出射された光の出射方向が、全反射導波路１からスローライト導波路１０に向かう＋Ｘ方向の成分を有することを意味する。「後方」とは、スローライト導波路１０から出射された光の出射方向が、スローライト導波路１０から全反射導波路１に向かう－Ｘ方向の成分を有することを意味する。次に、グレーティング１５を介した全反射導波路１およびスローライト導波路１０の接続の変形例を説明する。図１０Ａから図１０Ｃ、ならびに図１１Ａおよび図１１Ｂを参照して説明する以下の変形例は、グレーティング１５が、光導波層２０のより内部に位置するという点において、図８Ａに示す例と共通している。

図１０Ａから図１０Ｃは、図８Ａに示す光デバイスの変形例を模式的に示す断面図である。図１０Ａから図１０Ｃに示す例では、図１０Ａから図１０Ｃに示す例では、全反射導波路１は、誘電体層５１によって支持されており、誘電体層５１は、第２のミラー４０によって支持されている。全反射導波路１およびスローライト導波路１０では、第２のミラー４０が共通に用いられている。誘電体層５１は、例えばＳｉＯ_２から形成される。誘電体層５１の屈折率ｎ_ｓｕｂは、全反射導波路１の屈折率ｎ_ｗ１よりも小さい。したがって、全反射導波路１を伝搬する光は、誘電体層５１には漏れない。誘電体層５１は、第２のミラー４０によって支持されていなくてもよい。接続領域１１１および非接続領域１１２以外の領域では、第２のミラー４０を、誘電体層５１と同じ材料の構造に置き換えてもよい。本変形例における接続領域１１１の端面は、第１のミラー３０の端部を通り、且つＹ方向およびＺ方向に並行な面である。当該端面が本実施形態における接続領域１１１の端部である。

図１０Ａに示す例では、全反射導波路１は、第１の表面１ｓ_１において、グレーティング１５を備える。図１０Ｂに示す例では、全反射導波路１は、第２の表面１ｓ_２において、グレーティング１５を備える。図１０Ｃに示す例では、全反射導波路１は、第１の表面１ｓ_１および第２の表面１ｓ_２の両方において、グレーティング１５を備える。

このように、全反射導波路１は、第１の表面１ｓ_１、および第２の表面１ｓ_２の少なくとも一方において、グレーティング１５を備えてもよい。

図１１Ａおよび図１１Ｂは、図８Ａに示す光デバイスの他の変形例を模式的に示す断面図である。図１１Ａおよび図１１Ｂに示す例では、図１０Ａから図１０Ｃに示す例と同様に、全反射導波路１は、誘電体層５１によって支持されており、誘電体層５１は、第２のミラー４０によって支持されている。

図１１Ａおよび図１１Ｂの例では、全反射導波路１ではなく、第１のミラー３０および／または第２のミラー４０の反射面にグレーティング１５が設けられている。図１１Ａに示す例では、スローライト導波路１０は、第１のミラー３０における反射面において、グレーティング１５を備える。図１１Ｂに示す例では、スローライト導波路１０は、第２のミラー４０における反射面において、グレーティング１５を備える。

図１１Ａおよび図１１Ｂに示す例では、全反射導波路１と、第１のミラー３０および／または第２のミラー４０とのＺ方向の距離は比較的近い。これにより、全反射導波路１におけるエバネッセント光は、グレーティング１５によって回折される。その結果、前述の例と同様、全反射導波路１からスローライト導波路１０に導波光の結合効率を高めることができる。このように、スローライト導波路１０は、第１のミラー３０における反射面および第２のミラー４０における反射面の少なくとも一方において、グレーティング１５を備えてもよい。

図８Ａ、図１０Ａから図１０Ｃ、ならびに図１１Ａおよび図１１Ｂに示すように、全反射導波路１およびスローライト導波路１０の少なくとも一方は、Ｚ方向から見たときに、全反射導波路１とスローライト導波路１０とが重なる部分の一部に、グレーティング１５を有する。

なお、図９に示す全反射導波路１も、図１０Ａから図１０Ｃ、ならびに図１１Ａおよび図１１Ｂに示すように、第２のミラー４０上の誘電体層５１によって支持されていてもよい。

次に、前述した光デバイスにおける構成要素が有し得る機能を説明する。

光導波層２０の少なくとも一部は、屈折率および／または厚さを調整することが可能な構造を有していてもよい。屈折率および／または厚さを調整することにより、第１のミラー３０から出射される光の方向のうち、Ｘ方向の成分が変化する。

光導波層２０の少なくとも一部の屈折率を調整するために、光導波層２０は、液晶材料または電気光学材料を含んでいてもよい。光導波層２０は、一対の電極によって挟まれ得る。一対の電極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ができる。

光導波層２０のうち、接続領域１１１における屈折率と、非接続領域１１２における屈折率とを同時に調整してもよい。しかし、接続領域１１１における屈折率を調整すると、式（３）の条件が変化し得る。その結果、全反射導波路１からスローライト導波路１０への導波光の結合効率が低下し得る。そこで、接続領域１１１における屈折率を一定に維持し、非接続領域１１２における屈折率のみを調整できるようにしてもよい。接続領域１１１および非接続領域１１２における屈折率が異なっても、接続領域１１１と非接続領域１１２との界面において生じる導波光の反射の影響は小さい。

その場合、上記の一対の電極（「第１の一対の電極」とも称する）は、光導波層２０のうち、第１のミラー３０における反射面に垂直な方向から見て全反射導波路１に重なる部分とは異なる部分を間に挟む。不図示の制御回路が一対の電極に電圧を印加することにより、非接続領域１１２における上記少なくとも一部の屈折率を調整することができる。

設計通りに式（３）の条件が満たされていればよいが、実際には、製造誤差に起因して、式（３）の条件が完全に満たされない場合がある。そのような場合の補償のために、非接続領域１１２における屈折率の調整とは別に、接続領域１１１に屈折率を調整する機能を光デバイスに付与してもよい。

その場合、上記第１の一対の電極に加えて、第２の一対の電極が設けられ得る。第２の一対の電極は、光導波層２０のうち、Ｚ方向から見て全反射導波路に重なる部分の少なくとも一部を間に挟む。制御回路は、第１の一対の電極および第２の一対の電極に独立して電圧を印加することにより、第１の一対の電極の間に位置する光導波層の部分の屈折率と、第２の一対の電極の間に位置する光導波層の部分の屈折率とを独立して調整することができる。

光導波層２０の厚さを調整するために、例えば、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少なくとも１つのアクチュエータが接続されてもよい。制御回路は、少なくとも１つのアクチュエータを制御して第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ことができる。光導波層２０が液体から形成されていれば、光導波層２０の厚さは容易に変化し得る。

上記少なくとも１つのアクチュエータは、非接続領域１１２における第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。アクチュエータによって、非接続領域１１２における光導波層２０の厚さを変化させることができる。このとき、式（３）の条件は変化しない。

上記少なくとも１つのアクチュエータは、２つのアクチュエ―タであってもよい。一方のアクチュエータは、接続領域１１１における第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。他方のアクチュエータは、非接続領域１１２における第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。２つのアクチュエータによって、接続領域１１１における光導波層２０の厚さと、非接続領域１１２における光導波層２０の厚さとを別々に変化させることができる。これにより、設計通りに式（３）の条件が満たされていない場合の補償が可能である。

全反射導波路１およびスローライト導波路１０の組を複数組備える光デバイスを構成することにより、２次元の光スキャンも可能である。そのような光スキャンデバイスは、Ｙ方向に配列された複数の導波路ユニットを備える。各導波路ユニットは、上記の全反射導波路１およびスローライト導波路１０を備える。当該光スキャンデバイスでは、複数の位相シフタが、複数の導波路ユニットにそれぞれ接続される。複数の位相シフタは、それぞれ、複数の導波路ユニットの対応する１つにおける全反射導波路１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。複数の位相シフタを通過する光の位相の差をそれぞれ変化させることにより、光スキャンデバイスから出射される光の方向のうち、Ｙ方向の成分を変化させることができる。同様の構造によって光受信デバイスを構成することもできる。

＜応用例＞
図１２は、回路基板（たとえば、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１２に示す例において、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、および複数の電極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１２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１２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１２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１３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１４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ＬｉＤＡＲシステム３００の構成例を示すブロック図である。ＬｉＤＡＲ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＞
本開示の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、ならびに光の波長の少なくとも１つ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１２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４において、波数ベクトル（図中の太い矢印）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（図中のＸ方向）の光成分と、導波路素子１０の配列方向（図中の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１０Ａ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、図４に示すθおよびα_０がわかる。これにより、光の入射方向を特定することができる。

前述した実施形態は、適宜、組み合わせることができる。

最後に、前述した光デバイスを以下の項目にまとめる。

第１の項目に係る光デバイスは、第１の方向に延びる第１の導波路と、前記第１の導波路に接続された第２の導波路であって、第１の反射面を有する第１のミラーと、前記第１の反射面に対向する第２の反射面を有する第２のミラーと、前記第１のミラーと前記第２のミラーの間の光導波層であって、前記第１の導波路の先端部を含む部分を内包する光導波層と、を備える第２の導波路と、を備える。前記第１の導波路および前記第２の導波路の少なくとも一方は、前記第１の反射面に垂直な方向から見た場合に前記第１のミラー、前記第２のミラー、および前記第１の導波路が重なる接続領域の一部に１つ以上のグレーティングを有する。前記１つ以上のグレーティングは、前記接続領域における前記第１のミラーまたは前記第２のミラーの端部から、前記第１の方向に、前記第１のミラーの厚さおよび前記第２のミラーの厚さの少なくとも一方よりも長い距離だけ離れている。

この光デバイスでは、第１のミラーおよび／または第の２ミラーの接続領域に近い側の端部に傾斜部が形成されても、当該傾斜部の影響を受けずに、第１の導波路を伝搬する光は、グレーティングを介して、第２の導波路に高い効率で結合することができる。

第２の項目に係る光デバイスは、第１の項目に係る光デバイスにおいて、前記接続領域が、前記端部から前記１つ以上のグレーティングまでの第１領域と、前記１つ以上のグレーティングが存在する第２領域とを含む。前記第１領域の前記第１の方向の長さと、前記第２領域の前記第１の方向の長さとの合計は、前記第１のミラーの前記第１の方向の長さの半分、および前記第２のミラーの前記第１の方向の長さの半分のいずれか短い方よりも短い。

この光デバイスでは、光導波層の内部に発生する欠陥および／またはパーティクルが、第１の導波路から第２の導波路への光結合に及ぼす影響を抑制することができる。

第３の項目に係る光デバイスは、第１または第２の項目に係る光デバイスにおいて、前記端部から前記１つ以上のグレーティングまでの距離が、前記第２の導波路を前記第１の方向に沿って伝搬する光の強度が１／ｅ倍（ｅは自然対数の底）に減衰するのに要する距離よりも長い。

この光デバイスでは、第１の導波路を伝搬する光が、グレーティングを介して第２の導波路に結合しないとき、当該光の一部は、接続領域における光導波層を、第２の導波路から第１の導波路に向かう方向に伝搬する。その結果、当該光の一部は、第１のミラーおよび／または第２のミラーから後方に出射される。

第４の項目に係る光デバイスは、第１から第３の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記第１のミラーの透過率が、前記第２のミラーの透過率よりも高い。前記第１の導波路から前記第２の導波路における前記光導波層に入力された光の一部が、前記第１のミラーを介して出射される。

この光デバイスでは、光が、第１のミラーを介して出射される。

第５の項目に係る光デバイスは、第１から第４の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記第１の導波路を伝搬する前記光の導波モードの実効屈折率をｎ_ｅ１、前記光の空気中の波長をλとすると、前記１つ以上のグレーティングの各々の周期が、λ／ｎ_ｅ１よりも大きく、λ／（ｎ_ｅ１－１）よりも小さい。

この光デバイスでは、グレーティングの周期を適切に設定することにより、第１の導波路を伝搬する光は、グレーティングを介して第２の導波路に高い効率で結合することができる。

本開示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。

１０ 導波路素子、光導波路
１１ 光導波路
１０Ａ 導波路アレイ
１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｍ グレーティング
２０ 光導波層
３０ 第１のミラー
４０ 第２のミラー
５１ 誘電体層
６２ａ、６２ｂ、６２Ａ、６２Ｂ 電極
７３ 複数の隔壁
８０ 位相シフタ
８０Ａ 位相シフタアレイ
９０ 光分岐器
１００ 光スキャンデバイス
１１１ 接続領域
１１２ 非接続領域
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 (5)

1. 第１の方向に延びる第１の導波路と、
   前記第１の方向に延びる第２の導波路であって、
   第１の反射面を有する第１のミラーと、
   前記第１の反射面に対向する第２の反射面を有する第２のミラーと、
   前記第１のミラーと前記第２のミラーの間の光導波層と、を備える第２の導波路と、を備え、
   前記第１の導波路および前記第２の導波路の少なくとも一方は、前記第１の反射面に垂直な方向から見た場合に前記第１のミラー、前記第２のミラー、および前記第１の導波路が重なる領域の一部に１つ以上のグレーティングを有し、
   前記１つ以上のグレーティングは、前記重なる領域における前記第１のミラーまたは前記第２のミラーの端部から、前記第１の方向に、前記第１のミラーの厚さおよび前記第２のミラーの厚さの少なくとも一方よりも長い距離だけ離れている、
   光デバイス。
2. 前記重なる領域は、前記端部から前記１つ以上のグレーティングまでの第１領域と、前記１つ以上のグレーティングが存在する第２領域とを含み、
   前記第１領域の前記第１の方向の長さと、前記第２領域の前記第１の方向の長さとの合計は、前記第１のミラーの前記第１の方向の長さの半分、および前記第２のミラーの前記第１の方向の長さの半分のいずれか短い方よりも短い、
   請求項１に記載の光デバイス。
3. 前記端部から前記１つ以上のグレーティングまでの距離は、前記第２の導波路を前記第１の方向に沿って伝搬する光の強度が１／ｅ倍（ｅは自然対数の底）に減衰するのに要する距離よりも長い、
   請求項１または２に記載の光デバイス。
4. 前記第１のミラーの透過率は、前記第２のミラーの透過率よりも高く、
   前記第１の導波路から前記第２の導波路における前記光導波層に入力された光の一部が、前記第１のミラーを介して出射される、
   請求項１から３のいずれかに記載の光デバイス。
5. 前記第１の導波路を前記第１の方向に沿って伝搬する光の導波モードの実効屈折率をｎ_ｅ１、前記第１の導波路を前記第１の方向に沿って伝搬する前記光の空気中の波長をλとすると、
   前記１つ以上のグレーティングの各々の周期は、λ／ｎ_ｅ１よりも大きく、λ／（ｎ_ｅ１－１）よりも小さい、
   請求項１から４のいずれかに記載の光デバイス。

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