JP7005320B2

JP7005320B2 - 光偏向装置

Info

Publication number: JP7005320B2
Application number: JP2017233774A
Authority: JP
Inventors: 芳邦平野; 靖本山; 克田中
Original assignee: Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2017-12-05
Filing date: 2017-12-05
Publication date: 2022-01-21
Anticipated expiration: 2037-12-05
Also published as: JP2019101299A

Description

本発明は、光フェーズドアレイ技術を用いた光偏向装置に関する。

空間光通信や距離センサ、レーダー、立体ディスプレイ等への応用を目的に、ビームの方向を制御するデバイス（光偏向装置）の研究開発が進められている。特に、光フェーズドアレイを用いたものは、機械的な操作なしでビームを掃引することができることから、小型・軽量なデバイスに応用できるものと期待されている。このような光偏向装置は、複数本の光導波路を基板上に並設した平面光導波路回路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuit）を利用し、これに光導波路毎の光の位相調整手段を備えることで実現することができる。光の位相調整手段は、例えば、光導波路を両面や両側から挟んで電界を印加する一対の電極（特許文献１）や熱を加える抵抗ヒータである。光導波路のそれぞれは、電界の印加や加熱によって屈折率が変化し、伝播する光の位相を変化させる。このような構造により、光偏向装置は、光導波路の一端から光を入力されると、それぞれの他端から出射した様々な位相の光が合成されて、光導波路の延設方向（光導波路方向）を軸に所望の角度に偏向したビームを出力する。光偏向装置は、光導波路の本数が多いほど、そして光導波路（出力側の端）のピッチが狭いほど、性能指標である解像点数が高くなる。

また、光導波路にグレーティングカプラを設けることにより、光がグレーティングカプラの表面から光導波路に出入りすることができる（非特許文献１，２）。そこで、光導波路の出力側にグレーティングカプラを形成してこれを放射素子（エミッタ）として、基板に対して垂直等の非平行な所定の方向に出射することにより、光導波路の並設方向（光導波路幅方向）のみの一次元的な偏向制御から、二次元的な制御が可能な光偏向装置が開発されている。例えば、非特許文献３によれば、各々の放射素子からの出射角を二方向それぞれに調整することで、基板上に並設した光導波路で二次元的な制御が可能となる。また、非特許文献４には、二次元配列した放射素子の各々の光の入力側に一対の電極を備えることで、６４×６４の大型の光偏向装置を実現している。また、非特許文献５では、並設した１６本の光導波路について、先端の放射素子の配置を段階的にずらすことを４本ごとに繰り返すことにより、放射素子が４×４に二次元配列される。

特許第３５１２４２９号公報

Ralf Waldhausl, Bernd Schnabel, Peter Dannberg, Ernst-Bernhard Kley, Andreas Brauer, Wolfgang Karthe, "Efficient coupling into polymer waveguides by gratings", Applied Optics, Vol.36, No.36, pp.9383-9390, Dec 1997 Dirk Taillaert, Frederik Van Laere, Melanie Ayre, Wim Bogaerts, Dries Van Thourhout, Peter Bienstman, Roel Baets, "Grating Couplers for Coupling between Optical Fibers and Nanophotonic Waveguides", Japanese Journal of Applied Physics, Vol.45, No.8A, pp.6071-6077, 2006 J. K. Doylend, M. J. R. Heck, J. T. Bovington, J. D. Peters, L. A. Coldren, J. E. Bowers, "Two-dimensional free-space beam steering with an optical phased array on silicon-on-insulator", Optics Express, Vol.19, No.22, pp.21595-21604, Oct 2011 Jie Sun, Erman Timurdogan, Ami Yaacobi, Ehsan Shah Hosseini, Michael R.Watts, "Large-scale nanophotonic phased array", Nature, Vol.493, pp.195-199, Jan 2013 Firooz Aflatouni, Behrooz Abiri, Angad Rekhi, Ali Hajimiri, "Nanophotonic projection system", Optics Express, Vol.23, No.16, pp.21012-21022, Aug 2015

非特許文献３に記載された構造では、光導波路方向を軸に放射素子からの出力角を制御するためには、入力する光の波長を変化させる必要があり、実質的に一次元の制御しかできない。非特許文献４に記載された構造では、光導波路の位相調整部分が放射素子の配列ピッチ内に収まるように極めて短く、位相を変化させるために屈折率の変化量を大きくする必要があり、そのための電力消費量が増大する上、電力供給のための配線が微細かつ複雑になる。非特許文献５に記載された構造では、光導波路の並設ピッチに対して、並設方向における放射素子の配列ピッチが配列数倍（４倍）と広くなるので、放射素子の数が多くなると偏向角の制御範囲がさらに狭くなり、また、放射素子が平行四辺形に配列されていることにより出力されるビームの形状が傾斜した楕円形となって、ＭＴＦ（変調伝達関数：Modulated Transfer Function）が低下する。

本発明は前記問題点に鑑み創案されたものであり、簡易な構造で、二次元的な制御が可能な光偏向装置を提供することを課題とする。

すなわち本発明に係る光偏向装置は、放射素子をｘｙ面に（Ｍ×Ｎ）配列してなる放射部と（Ｍ，Ｎはそれぞれ２以上の自然数）、一端に前記放射素子のそれぞれを接続する（Ｍ×Ｎ）本の光導波路と、前記光導波路毎に当該光導波路を伝播する光の位相を調整する位相調整手段と、を備え、前記（Ｍ×Ｎ）本の光導波路の他端から光を入力されて、ｘｙ面に対して非平行な方向にビームを前記放射部から出力するものであって、前記放射部は、それぞれの前記放射素子の中心がｘ方向とｙ方向とに沿った矩形格子状に配置され、前記光導波路が、前記一端側に、ｘ方向に対して、下式（１）で表される一定の角度Ｈで傾斜した直線状に形成された傾斜部を有する構成とする。前記光偏向装置はさらに、前記放射素子が、前記光導波路の前記傾斜部に連続した直線状で、前記傾斜部と同じ幅である、または、前記傾斜部が、隣り合う２本がｚ方向に段差を有するように１本ずつ交互に段違いで配置されている構成とする。
０°＜Ｈ≦ｔａｎ^-1[(ｄ_y／ｄ_x)／Ｍ]＜９０° ・・・（１）
（ｄ_x：前記放射部のｘ方向における放射素子のピッチ、ｄ_y：前記放射部のｙ方向における放射素子のピッチ、Ｍ：前記放射部のｘ方向における放射素子の配列数）

かかる構成により、光偏向装置は、矩形格子状に配列された放射素子により、出力されるビームの形状が傾斜せず、また、それぞれの放射素子に接続する光導波路を配列数等に基づいた所定の角度で傾斜させて並設することにより、放射素子をより狭い間隔で配列することができる。

本発明に係る光偏向装置によれば、簡易な構造であって、偏向制御範囲を狭くせず、かつ消費電力量を増大させずに、等方的な形状のビームの二次元的な制御が可能となる。

本発明に係る光偏向装置の外観図である。図１に示す光偏向装置の構造を説明する模式図であり、（ａ）は光導波路の幅方向の、（ｂ）は光導波路方向の、光導波路の位相調整領域における断面図である。本発明の第１実施形態に係る光偏向装置の放射部の平面図である。本発明に係る光偏向装置の放射部の放射素子の構造を説明する模式図である。本発明の第２実施形態に係る光偏向装置の放射部の平面図である。本発明の第３実施形態に係る光偏向装置の放射部の平面図である。本発明の第４実施形態に係る光偏向装置の放射部の部分平面図である。図７に示す光偏向装置の構造を説明する模式図であり、放射部とその近傍の部分の斜視断面図である。図７および図８に示す光偏向装置の製造方法を説明する模式図であり、光導波路の幅方向の断面図である。シミュレーションによる、本発明に係る光偏向装置から出力されるビームのパターン像であり、（ａ）は偏向角０°、（ｂ）はｘ方向の最大偏向角、（ｃ）はｙ方向の最大偏向角である。

本発明に係る光偏向装置を実現するための形態について、図面を参照して説明する。
本発明に係る光偏向装置は、可視光放射や赤外線通信等を行うものであり、スキャニングデバイスやレーザープリンタ等に適用される。図面に示す光偏向装置およびその要素は、明確に説明するために、大きさや位置関係等を誇張していることがあり、また、形状や構造を単純化していることがある。

〔第１実施形態〕
本発明の第１実施形態に係る光偏向装置１０は、図１に示すように、１６個の放射素子１２を（４×４）に配列してなる放射部（合成放射部）２０と、末端に放射素子１２のそれぞれを接続する１６本の光導波路１１と、光導波路１１毎に当該光導波路１１を伝播する光の位相を調整する一対の電極４，５（位相調整手段）と、を備え、放射素子１２のそれぞれの中心がｘ方向とｙ方向とに沿った正方格子状に配置され、光導波路１１の放射素子１２に接続する部分（光出力部１ｏ、図３参照）が、ｘ方向に対して一定の角度Ｈ（０°＜Ｈ＜９０°）で傾斜して直線状に形成された構造である。ここでは説明を簡潔にするために、光偏向装置１０が４×４の１６個の放射素子１２を備える構成で例示している。そして、光偏向装置１０は、光導波路１１の先端から光を入射されて、放射部２０から＋ｚ方向（真上）を中心とした所望の方向へビーム（出力光）Ｌｏを出力する。光偏向装置１０は、１６本の光導波路１１にその先端から光を入射するために、外部から入力光Ｌｉを入力されるように光偏向装置１０の側面に先端が露出して設けられた光入力部１ｉ、および光入力部１ｉから１６本の光導波路１１の先端に分岐して接続する分配器１ｄを備え、さらに、光導波路１１およびこれに接続する放射素子１２等の周囲を埋めるクラッド層３、ならびにすべての部品を最上層で支持する基板６を備える。詳しくは、図２に示すように、光偏向装置１０は、下から、電極５、クラッド層３、光導波路１１、クラッド層３、電極４、基板６、の順に配置されている。また、光偏向装置１０は、平面（ｘｙ面を指す）視で長方形の平板形状であり、長手方向をｙ方向として、ｘ方向に（ｙ軸）対称（左右対称）な構造である。以下、本実施形態に係る光偏向装置を構成する各要素を詳細に説明する。

（光入力部、分配器）
光入力部１ｉは、光導波路１１を伝播する光を外部から入力するための入力ポートであり、光偏向装置１０の側面（端面）の１箇所、図１ではｙ方向の一端側の側面の中心に、露出して形成される。光偏向装置１０は、この光入力部１ｉの端面に、赤外線等の所定の波長の光源（図示省略）を対向させて使用される。光源としては、レーザー光源が好ましく、あるいは発光ダイオード（ＬＥＤ）等の一般光源を適用することもできる。光偏向装置１０は、さらに必要に応じて、光源と光入力部１ｉの間に、ボールレンズやシリンドリカルレンズ等の光学素子（図示省略）が設けられる。光偏向装置１０はさらに、その他の光学素子として、光入力部１ｉにおける入射光Ｌｉの偏光を特定方向に揃えるために、光の偏光方向を保持する偏波保持ファイバを光源に接続し、あるいは、光入力部１ｉに入射する光の偏光方向を選別するフィルタを設置することが好ましい。入射光Ｌｉの偏光方向については、後記の光導波路１１の説明において説明する。分配器１ｄは、１本の光入力部１ｉから入力された光をすべての（１６本の）光導波路１１に等分配する光学素子であり、公知の構造を適用することができる。具体的には、図１に示すような、光を２分岐ずつ分配する３ｄＢカプラ（結合器）や、多モード干渉（ＭＭＩ：Multi Mode Interference）型カプラと呼ばれる１入力多出力の光ビームスプリッタが挙げられる。光入力部１ｉおよび分配器１ｄは、光導波路１１、さらに放射素子１２と同一の光学材料で連続して一体に形成され（適宜まとめて、コア層１と称する）、その材料については、後記の光導波路１１の説明において記載する。

（光導波路）
光導波路１１は、先端（光の入射側を指す）に分配器１ｄが、末端（光の出射側を指す）に放射素子１２がそれぞれ接続され、光入力部１ｉおよび分配器１ｄを経由して入力された光Ｌｉを伝播させて放射素子１２へ導く。また、光導波路１１は、屈折率が変化することによって、伝播する光の位相を調整する。そのために、光導波路１１は、入力光Ｌｉの波長λの光を透過させ、波長λでの屈折率が電気的なまたは熱的な手段により変化させられる電気光学（ＥＯ）材料や熱光学（ＴＯ）材料からなる。以下、本明細書においては、別途記載のない限り、光とは波長λの光を指し、屈折率とは波長λの光の屈折率を指す。このような材料は公知の光偏向装置のコア層の材料が適用され、無機材料としては、ＬｉＮｂＯ₃（ＬＮ）、ＬｉＴａＯ₃（ＬＴ）、(Ｐｂ，Ｌａ)(Ｚｒ，Ｔｉ)Ｏ₃（ＰＬＺＴ）、ＮＨ₄Ｈ₂ＰＯ₄（ＡＤＰ）、ＫＨ₂ＰＯ₄（ＫＤＰ）、Ｂｉ₁₂ＳｉＯ₂₀（ＢＳＯ）、Ｂｉ₁₂ＧｅＯ₂₀（ＢＧＯ）、ＴｉＯ₂，ＳｒＴｉＯ₃，ＧａＡｓ，ＩｎＰ，Ｓｉのような誘電体材料、半導体材料等から選択される一種または二種以上の混合物（例えばＴｉ拡散ＬＮ結晶）が挙げられる。有機材料としては、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）や非晶質ポリカーボネート（ＡＰＣ）等の光を透過するポリマーに電気光学（ＥＯ）効果を有する低分子化合物（ＥＯ色素分子）を分散させたＥＯポリマーが挙げられる。ＥＯ色素分子は、アゾ色素やメロシアニン系色素、例えば、４－[Ｎ－(２－ヒドロキシエチル)－Ｎ－エチルアミノ]－４'－ニトロアゾベンゼン（ＤＲ－１：Disperse Red 1）、２－メチル－６－(４－Ｎ，Ｎ－ジメチルアミノベジリデン)－４Ｈ－ピラン－４－イリデンプロパンジニトリル、４－{[４－(ジメチルアミノ)フェニル]イミノ}－２、５－シクロヘキサジエン－１－オン、およびトリシアノフラン（ＴＣＦ）をアクセプタとするＦＴＣ（Furan-Thiophene Chromophore）等が挙げられる。

光導波路１１は、基板６上（ｘｙ面）に概ね一定の太さ（幅および厚さ）の線状に形成される。光導波路１１は、本実施形態においては、図２に示すように、断面が略正方形であるが、幅または厚さの方が大きい長方形や台形等でもよく、特に規定されない。また、光導波路１１の断面形状、幅および厚さは、局所的に変化していてもよい。光導波路１１は、光を伝播させるために、径（幅、厚さ）を（λ／２ｎ_MIN）以上とすることが好ましい。なお、ｎ_MINは、光導波路１１の最小屈折率で、後記するように、電界を印加されて位相の変化量が最大となるときの屈折率である。また、隣り合う光導波路１１，１１は、一方からクラッド層３に漏れた光が他方まで到達しない程度に間隔を空けることが好ましく、具体的には、幅やクラッド層３との屈折率の差によって決まる実効幅（光の強度が中心に対して１３．５％まで減少する幅）以上の間隔とすることが好ましい。光導波路１１は、主に直線状に形成され、必要に応じて曲線部分を有するが、伝播する光の損失（屈曲損）を抑制するように曲げ半径が十分に大きいことが好ましい。

ＥＯ材料からなる光導波路１１は、第１電極４と第２電極５から厚さ方向（ｚ方向）に印加される電界Ｅの強さに応じて屈折率ｎが変化して、この領域を伝播する光の位相を変化させる。光導波路１１の電極４，５に挟まれた領域を、位相調整領域１ｔと称する。光偏向装置１０において、位相調整領域１ｔは、光導波路１１の光の入射側近傍のｙ方向に沿った直線状の部分に設けられ、第１電極４の形状に合わせて互いの間隔を十分に空けている。光導波路１１の屈折率を、電界を印加されていないときにおいてｎ₀とすると、電界Ｅを印加されたときの変化量Δｎは、下式（２）で表される。ｒ₃₃は、光導波路１１（コア層１）を構成するＥＯ材料の電気光学（ＥＯ）効果の高さを示す物性値ＥＯ係数である。そして、光が光導波路１１の長さＬ_tの位相調整領域１ｔを伝播する際の位相の変化量φは、下式（３）で表される。必要な位相の変化量、例えば最大でπ（半波長分）が得られるように、光導波路１１の屈折率ｎ₀およびＥＯ係数ｒ₃₃ならびに入力光Ｌｉの波長λに応じて、電界Ｅや位相調整領域１ｔの長さＬ_tを設計する。
Δｎ＝－０．５ｎ₀ ³ｒ₃₃Ｅ・・・（２）
φ＝ｎＬ_t／λ ・・・（３）

ここで、多くのＥＯ材料、具体的にはＥＯポリマー全般やＬＮ，ＬＴ，ＰＬＺＴ等においては、式（２）に示す屈折率の変化は電界Ｅに沿った方向にのみ生じる。すなわち、図２に示すように、位相調整領域１ｔにおいて第１電極４と第２電極５が光導波路１１を挟んで上下に配置されているので、光導波路１１の印加電圧による屈折率変化はｚ方向に生じる。そこで、光導波路１１に入射する光がｚ方向に主たる電界ベクトルを有するように、前記したように、光偏向装置１０は、光源と光入力部１ｉの間に偏波保持ファイバや偏光フィルタのような光学素子を設置して、入射光Ｌｉの偏光が特定方向に揃えられることが好ましい。また、第１電極４と第２電極５が光導波路１１を挟んでｘ方向に配置されている場合には、印加電圧による屈折率変化はｘ方向に生じるため、入射光Ｌｉがｘ方向に主たる電界ベクトルを有するように、前記光学素子を設置することが好ましい。

図３に示すように、放射部２０に二次元配列された放射素子１２の、最外列以外も含めたそれぞれに光を入力するために、光導波路１１は、放射部２０に、そのｘ方向外側から、ｘ方向に対して一様な角度Ｈ（０°＜Ｈ＜９０°）で傾斜して進入して、放射素子１２に接続する。光導波路１１の、この角度Ｈで傾斜した直線状の領域を、光出力部（傾斜部）１ｏと称する。光出力部１ｏは、一様な角度で傾斜した直線状に形成されることにより、効率的に並設されて、その並設ピッチａに対して放射素子１２の配列ピッチｄ_x，ｄ_yをより狭くすることができる。なお、図３では、基板６は輪郭のみを表し、クラッド層３は省略する。また、放射部２０に配列された１６個の放射素子１２は、ｘ方向に二分して、すなわち（２×４）個ずつがｘ方向中心（図３に一点鎖線で表す）で対称に傾斜して設けられている。したがって、光導波路１１の光出力部１ｏも、８本ずつｘ方向両外側から放射素子１２に接続する。そのため、光導波路１１は、等間隔で並設されたｙ方向に沿った直線状の位相調整領域１ｔから、屈曲して光出力部１ｏへ連続する。光出力部１ｏの傾斜角Ｈや配置については、後記の放射部２０の説明において放射素子１２と共に詳細に説明する。

なお、光導波路１１は、光出力部１ｏ以外の、すなわち位相調整領域１ｔ等のｘｙ面内における向き（光導波路方向）は特に規定されず、放射素子１２の配列方向（ｘ，ｙ方向）に制限されない。光入力部１ｉおよび分配器１ｄの向きおよび配置も同様であり、さらには、光偏向装置１０も平面視形状がｙ方向を長手とする長方形に規定されない。

（放射素子）
放射素子１２は、ｘｙ面上に設けられた光導波路１１で伝播された光を上方（＋ｚ方向寄り）へ向けて出力するために設けられ、光導波路１１（光出力部１ｏ）の末端に接続される。そのために、前記したように、放射素子１２は光導波路１１と共にコア層１の一部として連続して形成されていて、光導波路１１の末端近傍が放射素子１２の形状に加工されているともいえる。このような放射素子１２は、図４に示すように、光の出力面である上面に、放射素子１２に入射した光ｌｉの進行方向（光導波路１１の光出力部１ｏの向き、Ｈ方向と称する）を横切るスリットを２以上（図３および図４では、７つ）形成された公知の構造のグレーティングカプラである。なお、図３においては、放射素子１２のスリット部分に網掛けを付して表す。放射素子１２は、下式（４）で表されるように、スリットの周期Λに応じて、ｚ方向からＨ方向に角度θ傾斜した方向へ光ｌｏを出射する。ｎ_effは、放射素子１２（コア層１）の実効屈折率であり、等価屈折率法によって、放射素子１２の屈折率ｎ₀とクラッド層３の屈折率ｎ_clから算出される。本実施形態においては、θ＝０°（＋ｚ方向）となるように、放射素子１２が設計される。放射素子１２の長さ（Ｈ方向長）は、スリットの周期Λの倍数であって、（ｄ_x×ｄ_y）角に収まる範囲であればよく、光ｌｏの光量を多くするために長いことが好ましい。また、光偏向装置１０においては、放射素子１２は、幅、およびスリット部分以外の厚さが光導波路１１と同一に形成されている。放射素子１２は、光出力部１ｏに連続した直線状に同じ幅で形成されることにより、配列ピッチｄ_x，ｄ_yをより狭くすることができる。放射素子１２の放射部２０における配置等については、後記の放射部２０の説明において説明する。
θ＝ｓｉｎ^-1(ｎ_eff－λ／Λ) ・・・（４）

（クラッド層）
クラッド層３は、光導波路１１等のコア層１を被覆して設けられ、適宜、コア層１の下側を下部（アンダー）クラッド、コア層１と同じ高さ位置およびコア層１の上側（ビームの出力側）を上部（オーバー）クラッドと称する。クラッド層３は、入力光Ｌｉの波長λの光においてコア層１よりも屈折率の低い誘電体や絶縁体からなり、さらにコア層１との屈折率の差が大きいことがコア層１の光閉込め効果を高くするので好ましい。したがって、クラッド層３は、コア層１を構成するＥＯ材料の屈折率、さらにその形成方法等に応じて選択される。具体的には、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｓｉ窒化物（Ｓｉ₃Ｎ₄等）、ＭｇＦ₂のような半導体素子の絶縁体に適用される無機化合物、ガラス、樹脂、ならびに前記の光導波路１１（コア層１）に挙げた材料から選択される。例えば、コア層１がＥＯポリマーからなり、クラッド層３を樹脂で形成する場合には、先に形成したコア層１または当該クラッド層３が溶解しないように、光硬化型樹脂のような無溶剤の樹脂、水溶性の樹脂、または架橋性ポリマーのような硬化後に有機溶剤に不溶となる樹脂を選択する。また、クラッド層３は、光偏向装置１０の全体で同一材料でなくてもよく、アンダークラッドとオーバークラッド、さらにオーバークラッドにおけるコア層１の高さ位置と上側とで異なる材料を適用することができ、また、空隙（空気、不活性ガス、真空等）を含んでいてもよい。

（電極）
第１電極４および第２電極５（適宜まとめて、電極４，５と表す）は、光導波路１１毎にその屈折率を変化させる位相調整手段である。本実施形態において、第１電極４および第２電極５は対となって、光導波路１１毎にその位相調整領域１ｔで垂直方向（ｚ方向、上向きまたは下向き）に所望の強さの電界を印加するために設けられる。光偏向装置１０においては、第１電極４が、それぞれの光導波路１１の位相調整領域１ｔにおける上側に、クラッド層３を挟んで設けられ、そのため、幅が光導波路１１以上のｙ方向に沿った帯状に形成される。一方、第２電極５は、すべての光導波路１１の位相調整領域１ｔを内包する１つの膜状に形成され、クラッド層３を挟んで光導波路１１の下側に設けられる。したがって、第２電極５はすべての光導波路１１の共通の電位（例えば０Ｖ）であり、これに対して第１電極４は、それぞれ個別の可変電源の電位に接続される。また、平面視で、光導波路１１の、第１電極４と第２電極５が共に重複する領域が位相調整領域１ｔであり、その長さ（ここではｙ方向長）がＬ_tになるように第１電極４および第２電極５が設計される。光偏向装置１０においては、図２（ｂ）に示すように、第２電極５の光導波路方向（ｙ方向）長がＬ_tであり、第１電極４は、第２電極５に対して光導波路方向に長く形成されている。第１電極４はさらに、外部電源（可変電源）との接続のために、図１に示すように、位相調整領域１ｔ外でｘ方向外側へ屈曲させたＬ字型に形成されている。第１電極４および第２電極５は、後記するそれぞれの材料の抵抗や印加する電界の強さ等に応じた寸法および間隔に形成される。

第１電極４および第２電極５は、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｐｔ，Ｒｕ等の金属やその合金のような一般的な金属電極材料、また、インジウム亜鉛酸化物（Indium Zinc Oxide：ＩＺＯ）、インジウム－スズ酸化物（Indium Tin Oxide：ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ₂）、酸化アンチモン－酸化スズ系（ＡＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）等の導電性酸化物、あるいはＳｉ等の半導体で形成することができ、これらの材料の２種類以上を積層してもよい。これらの材料は、スパッタリング法、真空蒸着法、塗布法等の、当該材料に応じた公知の方法によって成膜される。さらに、第１電極４は、フォトリソグラフィ、およびエッチングやリフトオフ法等によって、所定の形状に加工される。一方、後記の光偏向装置の製造方法にて説明するように、コア層１やクラッド層３を形成した後に形成される第２電極５は、成膜や加工の条件（温度等）が、コア層１等の特性を損なわないような材料を選択する。

（基板）
基板６は、光導波路１１等のコア層１、クラッド層３、および電極４，５等を形成するための、また、光偏向装置１０全体を支持するための土台である。そのために、基板６は、公知の基板材料、具体的には、表面に熱酸化膜を形成されたＳｉ（シリコン）基板、ＳｉＯ₂、Ｓｉ窒化物（Ｓｉ₃Ｎ₄等）、ガラス、コア層１やクラッド層３に挙げた結晶材料、メチルアクリレート等の樹脂から、前記コア層１等の成膜、加工条件に適応したものが選択される。さらに、本実施形態に係る光偏向装置１０は、以下の光偏向装置の製造方法で説明するように、上面（ビームの出力側）を下に向けて製造されたものをひっくり返して使用されるため、基板６が最上層に設けられる。したがって、放射部２０から出力されるビームＬｏを遮らないように、基板６は、光透過率の高い材料が選択され、例えば、光が赤外線であれば、石英や、特に赤外線の透過率の高いガラスが挙げられる。

（放射部）
放射素子１２は、ｘ方向とｙ方向とに二次元配列され、すなわち矩形格子状に配列されて放射部２０を構成する。詳しくは、放射素子１２のそれぞれの中心が矩形格子状に配置されるように配列されている。また、本実施形態に係る光偏向装置１０においては、ｘ方向のピッチｄ_xとｙ方向のピッチｄ_yとが同一（ｄ_x＝ｄ_y＝ｄ）の正方格子状に配列されている。図３では、放射部２０の上半分の８個（４×２）の放射素子１２の中心間を結ぶ破線を示す。放射部２０は、下式（５）で表されるように、放射素子１２の配列ピッチｄが狭いほど、出力するビームの偏向角ψを位相の変化量φに対して大きくすることができる。ただし、後記するように、放射素子１２の配列ピッチｄの最小値は、放射素子１２および光出力部１ｏの幅方向（Ｈ方向に直交する方向）のピッチａによって収束する。
ψ＝ｓｉｎ^-1[λφ／(２πｄ)] ・・・（５）

また、前記したように、１６個の放射素子１２は、ｘ方向に（２×４）個ずつ二分されて、ｘ方向中心（図３に一点鎖線で表す）で対称に傾斜して設けられている。放射素子１２は、光導波路１１の光出力部１ｏから連続して形成されているため、平面視で、光出力部１ｏと同じ線幅の細長い長方形で、ｘ方向に対して一定の角度Ｈ（０°＜Ｈ＜９０°）傾斜している。放射素子１２は、このような形状および配置とすることによって、他の放射素子１２やそれに接続する光出力部１ｏと一定以上の間隙で離間しつつ、放射部２０に効率よく配列される。また、光出力部１ｏを狭い領域内で屈曲させる必要がないので、小さな曲げ半径による光の損失がない。この傾斜角Ｈは、放射部２０における、放射素子１２のｘ方向の配列数Ｍ、およびｘ，ｙ各方向のピッチｄ_x，ｄ_yに基づいて、下式（１）で表される範囲に設計される。
０°＜Ｈ≦ｔａｎ^-1[(ｄ_y／ｄ_x)／Ｍ]＜９０° ・・・（１）

また、８本ずつ並設された光出力部１ｏの、幅方向すなわちｘ方向に対して角度（９０°－Ｈ）傾斜した方向におけるピッチａは、下式（６）で表される。傾斜角Ｈが大きいほど、放射素子１２の配列ピッチｄ_x（＝ｄ）に対して光出力部１ｏの並設ピッチａを広くすることができる。言い換えると、入力光Ｌｉの回折限界やコア層１の加工精度等のために、狭ピッチ化に限界のある光出力部１ｏの並設ピッチａに対して、放射部２０を高精細化し易い。
ａ＝ｄ_x・ｓｉｎＨ・・・（６）

本実施形態において、放射部２０は、１６個の放射素子１２が４×４で配列されているが、ｘ方向に二分して両外側から光出力部１ｏを接続しているため、Ｍ＝４／２＝２となる。また、放射素子１２が正方格子状に配列されているから、ｄ_y／ｄ_x＝１である。したがって、Ｈ≦ｔａｎ^-1(１／２)≒２６．５６５°となる。放射部２０は、放射素子１２および光出力部１ｏをｘ方向に二分して配置することで、ｘ方向の配列数Ｍを半減して傾斜角Ｈを大きくすることができる。傾斜角Ｈを式（１）における最大値Ｈ_MAXとすると、図３に示すように、すべての光出力部１ｏがピッチａで均等に並設された効率的な構造となる。本実施形態においては、Ｈ_MAX＝２６．５６５°であるので、ａ＝０．４４７ｄとなり、光出力部１ｏのピッチａが放射素子１２の配列ピッチｄの１／２弱で収まる。例えば、λ＝１．５５μｍとして、ｄ＝３λ＝４．６５μｍの放射部２０を設計するとき、ａ＝２．０８μｍとなる。したがって、光導波路１１を幅１．０μｍに設計することができる。なお、傾斜角Ｈを最大値Ｈ_MAXよりも小さく設計すると、光導波路１１の光出力部１ｏがＭ本ずつピッチａで並設され、Ｍ本ごとに間隔が広く空けられる（後記図６に示す第３実施形態参照）。

ここで、放射素子１２は、光導波路１１からＨ方向に入射した光ｌｉの一部が、上面から光ｌｏとして出射せずに、そのままＨ方向に直進して末端面から出射する。そのため、光偏向装置１０のように、放射素子１２がｘ方向中心で二分されて対称に配列された放射部２０である場合には、傾斜角Ｈが小さいと、放射素子１２の末端面からＨ方向に出射した光が、クラッド層３を伝播し、対向する放射素子１２や光出力部１ｏに進入し易く、位相に影響を与える虞がある。具体的には、傾斜角Ｈが５°超であることが好ましく、１０°以上であることがより好ましい。

（変形例）
光偏向装置１０は、放射部２０における放射素子１２の配列数が多いほど、ビームＬｏの広がり角が小さくなって解像点数が向上するが、ｘ方向の配列数Ｍが多いと傾斜角Ｈが小さくなって配列ピッチｄの微細化が困難になる。したがって、放射素子１２の配列数が２方向で異なる場合は、少ない方をｘ方向にして設計することが好ましい。また、光偏向装置１０は、ｄ_x≠ｄ_yの非正方格子の矩形格子配列とすることもできる。この場合、後記第２実施形態で説明するように、ｄ_x＜ｄ_yとなるようにｘｙ方向を設定することが好ましい。

第１実施形態に係る光偏向装置１０においては、前記したように、放射素子１２の傾斜角Ｈが小さいと、放射素子１２の末端面からＨ方向に直進して出射した光が、放射部２０のｘ方向中心を挟んで対向する放射素子１２に進入し得る。しかし、例えば放射素子１２のｘ方向の配列数Ｍが多いと、傾斜角Ｈを小さく設計せざるを得ない。そこで、放射素子１２の末端面から出射される光を抑制するために、入力光Ｌｉの波長λの光の吸収率の高い（透過率の低い）材料からなる光吸収膜を末端面に設けることが好ましい。または、放射部２０のｘ方向中心線に沿って、前記光吸収膜をクラッド層３に埋め込んでもよい。また、真上（＋ｚ方向）に光ｌｏを出射する（θ＝０°）放射素子１２においては、末端面を反射面として、放射素子１２内で光を逆向き（－Ｈ方向）に伝播させる構造とすることができる。そのために、放射素子１２の末端面をＨ方向に垂直な面に形成し、さらに、末端面に接するクラッド層３が放射素子１２（コア層１）よりも大幅に低い屈折率となるように、例えばこの部分を屈折率がほぼ１．０の空隙に形成する。放射素子１２は、このような構造とすることにより、上面から出射する光ｌｏの光量が増大する。あるいは、光ｌｏの出射角θにかかわらず、光が放射素子１２の末端面で屈折して出射して、クラッド層３内を傾斜角Ｈよりも大きな角度で進行したり下方へ進行するように、末端面を平面視または断面視で斜めに切欠いた形状に形成してもよい。

光偏向装置１０は、放射部２０の放射素子１２および光出力部１ｏを、ｘ方向中心で対称に傾斜して配置しているが、すべての放射素子１２を同じ方向に傾斜して配置することもできる。具体的には、図３において、放射部２０の右半分に配列された放射素子１２が、左半分と同じ右上（左下）に傾斜して配置され、放射部２０の右側斜め上から光出力部１ｏがこれら右半分の放射素子１２に接続する。すなわち、放射部２０のｘ方向中心を挟んで１８０°対称な構造となる（図示せず）。このような光偏向装置１０においては、光出力部１ｏの傾斜角Ｈにかかわらず、放射素子１２は、前記したように、末端面から光が出射しないように、または末端面で光を屈折させる構成とすることが好ましい。

（光偏向装置の製造方法）
本実施形態に係る光偏向装置の製造方法について、その一例として、コア層１にＥＯポリマーを適用し、また、ナノインプリント法で成形する場合を説明する。まず、基板６上に、第１電極４が設けられる領域を空けたパターンのレジストマスクをフォトリソグラフィで形成し、その上からスパッタリング法等で金属電極材料を成膜して第１電極４を形成し、レジストマスクを除去する（リフトオフ）。この第１電極４を形成した基板６の上に、クラッド層３を構成する光硬化性樹脂をスピンコート法等で塗布する。光硬化性樹脂の塗膜に、放射素子１２のスリットを含めたコア層１の形状に突出した石英製のモールドを押圧し、紫外線等の所定の波長の光をモールド越しに照射して硬化させた後、モールドを離型する。これにより、コア層１の形状の溝（トレンチ）が形成されたクラッド層３（オーバークラッド）となる。次に、ＥＯポリマーを塗布して、このクラッド層３の溝に充填して硬化させ、コア層１を形成する。さらにその上に、光硬化性樹脂を所定の厚さに塗布して硬化させて、クラッド層３（アンダークラッド）を形成する。クラッド層３の上に、第２電極５が設けられる領域を空けたステンレス板やポリイミドフィルム等からなるマスクを被覆し、その上から導電性材料を含有する塗料を塗布して硬化させて第２電極５を形成した後、マスクを外す。第２電極５を構成する導電性材料は、クラッド層３およびコア層１の耐熱温度以下の処理で形成することのできるものであり、例えば、Ａｇや導電性酸化物の微粒子を有機溶剤に分散させた塗料で形成される。

このように、有機溶剤を塗料に使用せずかつ有機溶剤に不溶な樹脂をクラッド層３に適用することにより、コア層１を形成する際に溶解せず、かつ形成したコア層１を溶解させない。また、クラッド層３のオーバークラッドをナノインプリント法で成形することにより、モールドを作製しておけば、コア層１を、放射素子１２のスリットも含めて、少ない工程で容易に形成することができる。モールドは、電子線リソグラフィ等で加工して作製することができる。なお、この製造方法では、放射素子１２の下面にスリットが形成されるため、製造時における下側が光偏向装置１０におけるビームの出力側となる。

架橋性ポリマーをホストとするＥＯポリマーを適用する場合には、さらに以下のポーリング（電場配向）処理を行ってＥＯポリマーのＥＯ効果を発現させる。そのために、クラッド層３には、耐有機溶媒性の他に、ポーリング処理の加熱温度に対する耐熱性を有する、架橋性ポリマーや光硬化性樹脂を適用する。ポーリング処理は、コア層１を構成するＥＯポリマーのホストポリマーのガラス転移温度近傍に加熱して、この温度でコア層１に電界を印加することにより、ＥＯポリマーの側鎖のＥＯ色素分子の極性を揃え、印加した状態で室温に冷却する。ポーリング処理は、少なくとも光導波路１１の位相調整領域１ｔに施されればよいので、電界の印加には電極４，５を使用することができ、また、例えば２枚の板状の電極（図示せず）を使用して光偏向装置１０の両面全体を挟んでもよい。

光偏向装置１０は、クラッド層３のオーバークラッドを無機材料で形成することもできる。この場合、一例として、前記のナノインプリント法を用いた製造方法と同様に、オーバークラッドにコア層１の形状の溝（トレンチ）を形成する。コア層１を構成するＥＯポリマーにもよるが、クラッド層３のオーバークラッドを構成する無機材料には、特に低屈折率、かつエッチングによる加工の容易なＳｉＯ₂が好ましい。

まず、基板６上に、ＳｉＯ₂を第１電極４と同じ厚さに成膜する。ＳｉＯ₂膜上に、第１電極４の形状に空けたパターンのレジストマスクを形成し、ＳｉＯ₂膜を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等でエッチングする。この上から金属電極材料を成膜して、ＳｉＯ₂膜のエッチング跡に埋め込んで第１電極４を形成し、レジストマスクを除去する。これにより、基板６表面に第１電極４と、第１電極４の設けられていない領域のＳｉＯ₂膜とが形成されて、表面が平坦となる。第１電極４とＳｉＯ₂膜の上に、クラッド層３のオーバークラッドを構成するＳｉＯ₂膜を成膜する。

ＳｉＯ₂膜上に、放射素子１２のスリット部分を覆うパターンのレジストマスクを形成する。このレジストマスクのパターンは、マージンとして、スリット部分から放射素子１２の幅方向両側に、隣り合う放射素子１２や光導波路１１（光出力部１ｏ）に掛からない程度に張り出していることが好ましい。そして、ＳｉＯ₂膜を放射素子１２のスリット深さにＲＩＥでエッチングして、レジストマスクを除去する。次に、ＳｉＯ₂膜上に、コア層１の平面視形状を空けたパターンのレジストマスクを形成して、再びＲＩＥでＳｉＯ₂膜をエッチングして、放射素子１２のスリット部分以外におけるエッチング深さを光導波路１１（コア層１）の厚さと同じとし、レジストマスクを除去する。これにより、コア層１の形状の溝（トレンチ）がＳｉＯ₂膜に形成された、クラッド層３のオーバークラッドとなる。

以降は前記のナノインプリント法を用いた製造方法と同様に、ＥＯポリマーをクラッド層３（オーバークラッド）の溝に充填してコア層１を形成し、コア層１に対応した光硬化性樹脂等でクラッド層３のアンダークラッドを形成し、クラッド層３上に第２電極５を形成する。さらに必要に応じてポーリング処理を行って、光偏向装置１０が得られる。なお、基板６上にＳｉＯ₂を成膜する前に第１電極４をリフトオフ法等で形成してもよく、この場合には、次にＳｉＯ₂を成膜して、ＣＭＰ（化学機械研磨：Chemical Mechanical Polishing）法等で第１電極４上のＳｉＯ₂膜を所定の厚さまで研削し、かつ表面を平坦化する。

クラッド層３のオーバークラッドは、コア層１の上側（製造時における下側）の部分において、ＳｉＯ₂よりもさらに低屈折率のＭｇＦ₂を適用してもよく、その上に成膜される、コア層１の高さ位置部分を構成するＳｉＯ₂膜のエッチングストッパ膜とすることができる。そのために、平坦に形成した第１電極４とＳｉＯ₂膜の上に、ＭｇＦ₂、ＳｉＯ₂を順次成膜して積層する。上のＳｉＯ₂膜は、光導波路１１の厚さと放射素子１２のスリット深さとの和を超える厚さに成膜する。そして、１回目のＳｉＯ₂膜のエッチングで、ＳｉＯ₂膜を光導波路１１の厚さになるまでエッチングする。２回目のＳｉＯ₂膜のエッチングでは、放射素子１２のスリット部分以外においてＭｇＦ₂膜を露出させ、かつ、スリット部分のＳｉＯ₂膜の残厚をスリット深さとする。エッチングストッパ膜を設けることで、光導波路１１の厚さ（クラッド層３の溝の深さ）および放射素子１２のスリット深さを制御し易い。

前記のように、クラッド層３のオーバークラッドが、ＳｉＯ₂膜のような十分な耐熱性、耐有機溶剤性の材料で形成されている場合には、エッチングのマスクに、ナノインプリント法で形成した樹脂マスクを使用することができる。この樹脂マスクは、コア層１外のエッチングしない領域を最も厚く、放射素子１２のスリット部分をその次に厚く形成する。そして、Ｏ₂ドライエッチングを行って、樹脂マスクの最薄部（残膜）であるコア層１の平面視形状からスリット部分を除いた領域のみを完全に除去してＳｉＯ₂膜を露出させる。そして、ＲＩＥでＳｉＯ₂膜をスリット深さ分エッチングし、次に、再びＯ₂ドライエッチングで樹脂マスクのスリット部分のみを完全に除去する。そして、再びＲＩＥでＳｉＯ₂膜をエッチングすることにより、コア層１の形状の溝が形成される。このように、１つのマスクで放射素子１２のスリットも含めたコア層１の形状の溝を形成することができ、工程を低減し、さらに位置合わせが不要となる。

（製造方法による変形例）
前記のように、クラッド層３のオーバークラッドが無機材料で形成されている場合には、コア層１にも無機材料を適用することができる。コア層１の形状の溝を形成したオーバークラッド上に、スパッタリング法や真空蒸着法等によりコア層１の材料を、光導波路１１の厚さに成膜して、溝に埋め込む。このように製造されると、放射素子１２は、上面（光の出力面）にスリットを形成された部分が下面へ突出する（図８に示す放射素子１２Ａ参照）。また、第１電極４は、コア層１やクラッド層３が溶解、変形、変質等しないように形成することができる導電性材料であれば、コア層１およびクラッド層３を形成した後に形成してもよい。すなわち、第２電極５を基板６の表面に形成し、その結果、第１電極４と第２電極５の上下の配置が入れ替わる。

平坦なアンダークラッド上にコア層１を構成する材料を成膜して、これを加工してコア層１に成形してもよい。このように形成されたコア層１は、製造時の上面に放射素子１２のスリットが形成されるので、製造時の上側がそのままビームの出力側となり、基板６が最下層に設けられる。したがって、基板６は、波長λの光を透過する材料でなくてもよく、ただし、光導波路１１や放射素子１２から下方へ漏れた光が反射して放射部２０から出射しないように、光反射率が高くない材料を選択することが好ましい。あるいは、基板６に反射膜を設けて、下方へ漏れた光を反射させて光利用効率を向上させることもできる。そのために、放射素子１２上面において、反射光が放射素子１２から上方へ出射した光と同じ位相になるように、反射光の光路長を調整する。反射膜は、基板６の上面（クラッド層３との界面）または下面に、例えば金属薄膜を蒸着して形成され、または、基板６自体が光反射率の高い材料で形成されていてもよい。光路長は、アンダークラッドの厚さ等、反射膜と放射素子１２との距離の設定で調整される。あるいは、反射膜として作用する回折格子を基板６の片面に形成して、回折格子の深さと周期等を調整することで調整される。回折格子は基板６にエッチングなどで形成した微細な周期構造物によって形成することができる。さらに基板６は、金属板等の導電性材料を適用して、第２電極５と一体とすることもできる。この場合、第２電極５は下側でｘｙ面全体に形成されるので、上側に設けられる第１電極４は、光導波路方向長をＬ_tとして、その上に絶縁膜を介して外部電源との接続端子を形成する（図示せず）。

エッチングで加工することの可能なコア層１の材料として、半導体材料等の無機材料や、前記の架橋性ポリマーをホストとするＥＯポリマーを適用することができる。架橋性ポリマーは、硬化後にレジストの有機溶剤や現像液、剥離液に不溶となるので、レジストマスクを用いてエッチングで加工することができる。

ＥＯポリマーをコア層１に適用した本変形例に係る光偏向装置１０は、まず、ＥＯポリマーをコア層１に適用した第１実施形態に係る光偏向装置１０と同様に、基板６上に第１電極４を形成し、その上に光硬化性樹脂を塗布して、クラッド層３のアンダークラッドを、第１電極４上において所定の厚さに、かつ表面を平坦に形成して硬化させる。そして、アンダークラッドの上に、コア層１を構成するＥＯポリマーを所定の厚さに塗布して硬化させる。このＥＯポリマー膜上に、放射素子１２のスリット部分とその両側のマージン部分とを空けたパターンのレジストマスクを形成して、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）でＥＯポリマーを放射素子１２のスリット深さまでエッチング（ハーフエッチ）した後、レジストマスクを除去する。次に、コア層１の平面視形状のパターンのレジストマスクを形成し、再びＲＩＥでＥＯポリマーをエッチングしてその下のアンダークラッドを露出させた後、レジストマスクを除去して、コア層１が形成される。この上に、アンダークラッドと同様に樹脂材料を塗布して、クラッド層３のオーバークラッドを形成し、次に、前記実施形態と同様に、クラッド層３の上に第２電極５を形成する。さらに、ポーリング処理を行って、光偏向装置１０が得られる。なお、コア層１全体の平面視形状の成形と放射素子１２のスリットの形成とは、順序を入れ替えてもよい。

本変形例に係る光偏向装置の製造方法について、コア層１に無機材料を適用しても、同様に、レジストマスクを替えた２段階のエッチングでコア層１を成形する。この場合、クラッド層３の少なくともアンダークラッドも無機絶縁材料で形成することが好ましい。このような光偏向装置１０は、第１電極４を形成して第１電極４，４間を無機絶縁材料で平坦にした基板６の上に、アンダークラッド、コア層１のそれぞれを構成する無機材料を順次成膜して製造することができる。あるいは、光偏向装置１０は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）製造用のＳｉ基板（ＳＯＩ基板）を利用して製造することができる。ＳＯＩ基板は、ＭＯＳＦＥＴとなる表層のＳｉの下に、埋込み酸化膜（ＳｉＯ₂膜）であるＢＯＸ（Buried Oxide）層が形成されていて、それぞれコア層１とアンダークラッドとすることができる。また、ＢＯＸ層の下のＳｉは、基板６であると共に、ｘｙ面全体に形成された第２電極５とすることができる。したがって、成形したコア層１の上に無機絶縁材料を成膜してオーバークラッドとして、その上に光導波路方向長がＬ_tの第１電極４を形成する。あるいは、ＳＯＩ基板の表層のＳｉを、コア層１に加えて、位相調整領域１ｔにおいてコア層１の両側を挟む第１電極４と第２電極５に成形してもよい。

以上のように、本発明の第１実施形態に係る光偏向装置によれば、二次元的かつ広範囲の偏向角の制御が可能となり、また、簡易な構造であるので製造が容易である。

〔第２実施形態〕
第１実施形態に係る光偏向装置は、放射素子を正方格子状に配列して備えているが、用途によってはこれに限られない。また、出力光（ビーム）の制御範囲等によっては、光導波路を二分して両外側から放射素子に接続する構成でなくてよい。以下、第２実施形態に係る光偏向装置について説明する。第１実施形態と同じ要素については同じ符号を付し、説明を省略する。

本発明の第２実施形態に係る光偏向装置１０Ａは、図５に示す放射部２０Ａにおける放射素子１２の配列およびこれに接続する光導波路１１の部分を除いて、図１に示す第１実施形態に係る光偏向装置１０と同様の構造である。すなわち、光偏向装置１０Ａは、１６本の光導波路１１、光入力部１ｉ、光入力部１ｉからすべての光導波路１１に分岐してその一端に接続した分配器１ｄ、光導波路１１の他端に接続した放射素子１２、光導波路１１等の周囲を埋めるクラッド層３、光導波路１１を上下からクラッド層３を介して挟む第１電極４と第２電極５、およびこれらを支持する基板６を備える。また、１６個の放射素子１２は、４×４に二次元配列されて放射部２０Ａを構成する。なお、図５では、基板６は輪郭のみを表し、クラッド層３は省略する。以下に、放射部２０Ａについて説明する。

光偏向装置１０Ａにおいて、１６個の放射素子１２は、ｘｙ方向に４×４の二次元配列され、すなわち矩形格子状に配列されて放射部２０Ａを構成する。本実施形態においては、ｘ方向のピッチｄ_xとｙ方向のピッチｄ_yとがｄ_x：ｄ_y＝３：４の非正方格子状に配列されている。また、光偏向装置１０Ａにおいて、光導波路１１の光出力部１ｏは、１６本すべてが放射部２０Ａの外側の一方から放射素子１２に接続する。すなわち、放射素子１２とこれに接続する光出力部１ｏの１６本すべてが平行で、ｘ方向に対して角度Ｈ（０°＜Ｈ＜９０°）で傾斜し、また、ピッチａで均等に並設されている。

このような放射部２０Ａにおいて、第１実施形態で説明したように、光出力部１ｏおよび放射素子１２の傾斜角Ｈは、放射部２０Ａにおける、放射素子１２のｘ方向の配列数Ｍ、およびｘ，ｙ各方向のピッチｄ_x，ｄ_yに基づいて、下式（１）で表される範囲に設計される。また、光出力部１ｏのピッチａは下式（６）で表される。本実施形態においては、Ｍ＝４、ｄ_y／ｄ_x＝４／３であるので、Ｈ≦ｔａｎ^-1(１／３)≒１８．４３５°となる。また、傾斜角Ｈは式（１）における最大値Ｈ_MAXであるから、ａ＝０．３１６ｄ_xである。
０°＜Ｈ≦ｔａｎ^-1[(ｄ_y／ｄ_x)／Ｍ]＜９０° ・・・（１）
ａ＝ｄ_x・ｓｉｎＨ・・・（６）

このように、放射部２０Ａはｄ_x＜ｄ_yの非正方格子配列であるから、放射素子１２の配列数Ｍに対して傾斜角Ｈが大きく、光出力部１ｏを両外側へ二分しなくても、配列ピッチｄ_xに対して光出力部１ｏの狭ピッチ化が抑制される。言い換えると、非正方格子配列においては、配列ピッチの狭い方、すなわち偏向角の制御範囲の広い方をｘ方向にして設定することが好ましい。なお、第１実施形態で説明したように、配列数が２方向で異なる場合には少ない方をｘ方向にすることが好ましいが、さらに非正方格子配列においては、式（１）に基づいて傾斜角Ｈ（最大値Ｈ_MAX）がより大きくなるようにｘｙ方向を設定することが好ましい。また、本実施形態においては、１６本すべての光導波路１１を一方向から放射素子１２に接続することにより、光導波路１１の位相調整領域１ｔから光出力部１ｏまでの長さを抑えて、光偏向装置１０Ａの平面視サイズを小さく設計することができる。さらに、光出力部１ｏの傾斜角Ｈにかかわらず、放射素子１２の末端面からＨ方向に直進して出射した光が、他の放射素子１２に進入することがない。

本実施形態に係る光偏向装置１０Ａは、コア層１の材料等に応じて、第１実施形態で説明した製造方法で製造することができる。

以上のように、本発明の第２実施形態に係る光偏向装置によれば、第１実施形態と同様に、簡易な構造であるので製造が容易であり、また、二次元的かつ必要な範囲の偏向角の制御が可能となる。

〔第３実施形態〕
第１、第２実施形態に係る光偏向装置は、光導波路から延長するように同じ幅の放射素子を備えるが、このような放射素子に限られず、例えば非特許文献１，４に記載されているような、光導波路よりも幅の広がったグレーティングカプラを放射素子に備えることもできる。以下、第３実施形態に係る光偏向装置について説明する。第１、第２実施形態と同じ要素については同じ符号を付し、説明を省略する。

本発明の第３実施形態に係る光偏向装置１０Ｂは、図６に示す放射素子１２Ｂとその放射部２０Ｂにおける配列およびこれに接続する光導波路１１の部分を除いて、図１に示す第１実施形態に係る光偏向装置１０と同様の構造である。すなわち、光偏向装置１０Ｂは、１６本の光導波路１１、光入力部１ｉ、光入力部１ｉからすべての光導波路１１に分岐してその一端に接続した分配器１ｄ、光導波路１１の他端に接続した放射素子１２Ｂ、光導波路１１等の周囲を埋めるクラッド層３、光導波路１１を上下からクラッド層３を介して挟む第１電極４と第２電極５、およびこれらを支持する基板６を備える。また、１６個の放射素子１２Ｂは、４×４の正方格子状（ｄ_x＝ｄ_y＝ｄ）に二次元配列されて放射部２０Ｂを構成する。なお、図６では、基板６は輪郭のみを表し、クラッド層３は省略する。以下、本実施形態に係る光偏向装置を構成する各要素について、第１実施形態と異なるものについて詳細に説明する。

（放射素子）
放射素子１２Ｂは公知のグレーティングカプラである。放射素子１２Ｂは、光導波路１１よりも幅広で、スリット（図６では、４つ）が平面視で弧状で、その１つ目（図６では、網掛けを付して表す）を除いて完全に離間されている。放射素子１２Ｂは、これらの形状以外は、第１実施形態で説明した図４に示す放射素子１２と同様の構造であり、光を上方へ向けて出力する。

（光導波路）
光導波路１１は、図５に示す第２実施形態と同様に、１６本すべてが放射部２０Ｂの外側の一方から放射素子１２Ｂに接続し、光出力部１ｏがｘ方向に対して、下式（１）で表される範囲の角度Ｈで傾斜している。本実施形態においては、光出力部１ｏは、傾斜角Ｈが式（１）における最大値Ｈ_MAXよりも小さく、したがって、ピッチが下式（６）で表されるａで４本ずつ並設され、４本ごとに間隔がａよりも広く空けられる。傾斜角Ｈが小さいほどピッチａが狭くなる一方、前記間隔が広くなるので、光導波路１１よりも幅広の放射素子１２Ｂを放射部２０Ｂに配列することができる。すなわち、放射素子１２Ｂの寸法に応じて、傾斜角Ｈを設計する。光導波路１１はさらに、光出力部１ｏの末端（放射素子１２Ｂとの接続側）から屈曲して傾斜角Ｈよりも大きな角度に傾斜して、放射素子１２Ｂに接続する。したがって、放射素子１２Ｂは前記角度で傾斜して配置されている。この角度は、光出力部１ｏの傾斜角Ｈよりも大きければ特に規定されず、図６における下からＭ本目の光導波路１１に接続する放射素子１２Ｂ（図６における放射部２０Ｂの左下隅に配置）が、（Ｍ－１）本目と（Ｍ＋１）本目の光導波路１１（光出力部１ｏ）の間隙に収まるように設計される。
０°＜Ｈ≦ｔａｎ^-1[(ｄ_y／ｄ_x)／Ｍ]＜９０° ・・・（１）
ａ＝ｄ_x・ｓｉｎＨ・・・（６）

（変形例）
放射素子１２Ｂを二次元配列して備える光偏向装置１０Ｂは、第２実施形態のように非正方格子の矩形格子配列とすることもでき、第２実施形態で説明したように、ｄ_x＜ｄ_yとなるようにｘｙ方向を設定することが好ましい。さらに、配列数が２方向で異なる場合には、式（１）に基づいて傾斜角Ｈ（最大値Ｈ_MAX）がより大きくなるように、ｘｙ方向を設定することが好ましい。また、放射素子１２Ｂのｘ方向の配列数が多い場合等は、第１実施形態と同様に、光出力部１ｏを両外側へ二分して配置すればよい。

本実施形態に係る光偏向装置１０Ｂは、コア層１の材料等に応じて、第１実施形態で説明した製造方法で製造することができる。

以上のように、本発明の第３実施形態に係る光偏向装置によれば、所望の形状の放射素子を矩形格子状に二次元配列して備えることができ、第１実施形態と同様に、二次元的かつより広範囲の偏向角の制御が可能となり、簡易な構造であるので製造が容易である。

〔第４実施形態〕
第１、第２実施形態に係る光偏向装置は、隣り合う光導波路およびこれに接続する放射素子同士でクラッド層を経由して光が進入しないように、平面視で一定以上の間隔を空けて配置しているが、光導波路をいっそうの狭ピッチとして、放射素子の配列数を多くしたり高精細化することができる。以下、第４実施形態に係る光偏向装置について説明する。第１、第２実施形態と同じ要素については同じ符号を付し、説明を省略する。

本発明の第４実施形態に係る光偏向装置１０Ｃは、図７に示す放射素子１２Ａとその放射部２０Ｃにおける配列およびこれに接続する光導波路１１の部分を除いて、図１に示す第１実施形態に係る光偏向装置１０と同様の構造である。すなわち、光偏向装置１０Ｃは、２５６本の光導波路１１、光入力部１ｉ、光入力部１ｉからすべての光導波路１１に分岐してその一端に接続した分配器１ｄ、光導波路１１の他端に接続した放射素子１２Ａ、光導波路１１等の周囲を埋めるクラッド層３、光導波路１１を上下からクラッド層３を介して挟む第１電極４と第２電極５、およびこれらを最上層で支持する基板６を備える。また、２５６個の放射素子１２Ａは、１６×１６の正方格子状（ｄ_x＝ｄ_y＝ｄ）に二次元配列されて放射部（合成放射部）２０Ｃを構成する。図７には、放射素子１２Ａを、放射部２０Ｃにおける左下の（９×４）個のみ示し、また、クラッド層３は省略する。以下、本実施形態に係る光偏向装置を構成する各要素について、第１実施形態と異なるものについて詳細に説明する。

（光導波路）
光導波路１１は、図１に示す第１実施形態と同様に、分配器１ｄで分岐されて、位相調整領域１ｔから曲線部分を経由して、二分され、光出力部１ｏにおいてｘ方向中心（図７に一点鎖線で表す）で対称に、角度Ｈ（０°＜Ｈ＜９０°）で傾斜して設けられている。さらに本実施形態においては、光出力部１ｏが平面視で間隙なく並設され、すなわち光導波路１１の幅が光出力部１ｏの並設ピッチａとなる。このような光偏向装置１０Ｃは、図８に示すように、光導波路１１が１本ずつ交互に段違いで配置されている。なお、図８では、クラッド層３および基板６は省略する。段違いに並設された光導波路１１（光出力部１ｏ）は、それぞれの高さ位置で放射素子１２Ａに接続する。このような配置により、隣り合う光導波路１１，１１間や光導波路１１、放射素子１２Ａ間に十分な間隙を有しつつ、平面視でのピッチａを最小（間隙０）とすることができる。そのために、隣り合う光導波路１１，１１の段差ｈは、光導波路１１の厚さよりも大きく、さらにクラッド層３へ漏れた光が進入しないように、光導波路１１の厚さの２倍以上とすることが好ましい。

光導波路１１は、少なくとも位相調整領域１ｔにおいては、隣り合う第１電極４，４の間隙に合わせて平面視で十分な間隙を有して配置されるため、このような部分では、第１、第２実施形態と同様に同じ高さ位置に設けられていてもよい。そして、光導波路１１は、光出力部１ｏまでの中継部分（例えば図１に示す光導波路１１の曲線部分）で平面視での間隙を狭めるので、この中継部分において、１本おきに半数（１２８）本を緩やかに上方または下方へ傾斜させて段差を設ける。あるいは、分配器１ｄの３ｄＢカプラの最後の分岐で、光導波路１１，１１を上下に段差を設けて配置してもよく、この場合、光導波路１１は、光偏向装置１０Ｃ全体において１本ずつ交互に段違いで配置される。このように配置された光導波路１１を含むコア層１は、後記製造方法で説明するように、一様な厚さに成膜することのできる材料で形成され、半導体材料等の無機材料を適用することが好ましい。また、放射素子１２Ａの配列数Ｍが多い、配列ピッチｄ_xが小さい等、光導波路１１の幅（ピッチａ）を特に狭く設計するためには、屈折率の高い材料を適用することが好ましい。

（放射素子）
放射素子１２Ａは、図４に示す放射素子１２と同様に、光導波路１１（光出力部１ｏ）の末端に連続して形成されて、スリット（図７で網掛けを付した部分）を形成されたグレーティングカプラであり、上面から光ｌｏを出射する。ただし、放射素子１２Ａは、図８に示すように、上面にスリットを形成された部分が下面へ突出して、厚さ（ｚ方向長）が光導波路１１の厚さと同じに一定に形成されている。放射素子１２Ａのこのような形状は、後記製造方法によるものである。

前記したように、放射部２０Ｃにおいて、放射素子１２Ａおよびこれに接続する光出力部１ｏは、高さ（ｚ方向）位置を交互に変えて、幅方向に間隙なく並設されている。その段差ｈは、高さ位置の異なる放射素子１２Ａ，１２Ａ間で光路長の差（ｈ／ｃｏｓθ）による位相のずれを生じさせないように、下式（７）に設計されることが好ましい。なお、ｍは自然数、ｎ_clは放射素子１２Ａ上のクラッド層３の屈折率である。
ｈ＝ｍ×ｃｏｓθ×λ／ｎ_cl ・・・（７）

（放射部）
放射部２０Ｃにおいて、第１実施形態で説明したように、光出力部１ｏおよび放射素子１２Ａの傾斜角Ｈは、放射部２０Ｃにおける、片側半分の放射素子１２Ａのｘ方向の配列数Ｍ、およびｘ，ｙ各方向のピッチｄ_x，ｄ_yに基づいて、下式（１）で表される範囲に設計される。また、光出力部１ｏのピッチａは下式（６）で表される。本実施形態においては、１６×１６で配列されている放射素子１２Ａが、ｘ方向に二分して両外側から光出力部１ｏを接続しているため、Ｍ＝１６／２＝８となる。また、ｄ_y／ｄ_x＝１であるので、Ｈ≦ｔａｎ^-1(１／８)≒７．１２５°となる。また、傾斜角Ｈは式（１）における最大値Ｈ_MAXであるから、ａ＝０．１２４ｄである。したがって、例えば第１実施形態と同様に、λ＝１．５５μｍとして、ｄ＝３λ＝４．６５μｍの放射部２０Ｃを設計するとき、ａ＝０．５７μｍとなる。本実施形態においては、ピッチａがそのまま光導波路１１の幅であり、最小屈折率ｎ_MINが約１．８以上の材料であればコア層１に適用することができる。より高屈折率の材料をコア層１に適用することにより、放射素子１２Ａの配列ピッチｄをさらに狭くしたり、配列数Ｍを増やすことができる。
０°＜Ｈ≦ｔａｎ^-1[(ｄ_y／ｄ_x)／Ｍ]＜９０° ・・・（１）
ａ＝ｄ_x・ｓｉｎＨ・・・（６）

（変形例）
本実施形態に係る光偏向装置１０Ｃは、第１、第２実施形態で説明したように、非正方格子の矩形格子配列とすることもでき、また、２方向の配列数が異なっていてもよい。また、放射素子１２Ａの配列数等によっては、光出力部１ｏを二分せずに放射部２０Ｃの外側の一方から放射素子１２Ａに接続してもよい。また、第３実施形態に係る光偏向装置１０Ｂ（図６参照）について、光導波路１１の光出力部１ｏを、１本ずつ交互に段違いで配置して、平面視で間隙なく並設することもできる。

（光偏向装置の製造方法）
本実施形態に係る光偏向装置１０Ｃは、第１実施形態で説明したように、クラッド層３のオーバークラッドに、コア層１の形状の溝（トレンチ）をナノインプリント法で形成することによって製造することができる。ただし、コア層１に無機材料を適用するために、クラッド層３のオーバークラッドは、コア層１の成膜条件に対応した、具体的には耐熱性を有する材料を適用する。本実施形態においては、放射素子１２Ａのスリットとは別に、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、２通りの深さの溝をオーバークラッド（クラッド層３）に形成し、その上から、コア層１の材料を真空蒸着法等により光導波路１１の厚さに成膜してクラッド層３の溝に埋め込む。図９（ａ）は光出力部１ｏの、図９（ｂ）は光出力部１ｏ以外の（平面視で間隙を有して配列された）光導波路１１の部分の断面図である。そして、コア層１を被覆するようにアンダークラッドを形成し、必要に応じてＣＭＰ法等で表面を平坦化処理した後、第２電極５を形成する。なお、図９（ｂ）に示すように、光導波路１１，１１の間隙のクラッド層３上にコア層１が形成されるが、上側の光導波路１１との間隙が十分であれば残存させてもよく、あるいはアンダークラッド形成後の平坦化処理で除去することができる。

以上のように、本発明の第４実施形態に係る光偏向装置によれば、二次元的かつより広範囲の偏向角の制御が可能となり、また、簡易な構造であるので、第１実施形態と同様に製造が容易である。

本発明の効果を確認するために、本発明の第１実施形態に係る光偏向装置を模擬したサンプルでシミュレーションを実行し、放射部における光振幅・位相分布を基に計算して、放射部から出力されるビームのパターンを求めた。入力光の波長λは１．５５μｍに設定した。コア層は、ＦＴＣを２４％混合したＰＭＭＡを模擬した、屈折率ｎ₀＝１．６０８、ＥＯ係数ｒ₃₃＝９５ｐｍ／Ｖの誘電体であり、幅２μｍ×厚さ２μｍの光導波路とした。また、クラッド層は、ＦＴＣを５％混合したＰＭＭＡを模擬した屈折率ｎ_cl＝１．５８の誘電体であり、光導波路の上と下にそれぞれ６μｍの厚さとした。また、第１電極および第２電極は、それぞれ厚さ１００ｎｍのＡｕとした。放射素子は、長さ８μｍとし、出射角θ≒０となるように、コア層の実効屈折率ｎ_eff＝１．５８７より、スリット周期Λ＝０．９７５μｍとした。図３に示すように、１６個の放射素子を４×４の正方格子状にピッチｄ（＝ｄ_x＝ｄ_y）＝８μｍで配列し、その際、ｘ方向に二分して、ｘ方向中心で対称に、角度Ｈ＝２２．５°で傾斜させた。

シミュレーションは、放射素子までの光導波路においては、ビーム伝搬法を用いたシミュレータ（Optiwave社製Optiwave）で解析した。放射素子（放射部）から界面までは、有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）法により解析した（左貝潤一，“光導波路の電磁界数値解析法”，森北出版株式会社，２０１５年）。シミュレーション条件は、計算領域：２００μｍ³、グリッドサイズ：５０ｎｍ、境界条件：１６層ＰＭＬとした。界面からビームパターンまでは、シフト角スペクトル法により解析した（K. Matsushima, "Shifted angular spectrum method for off-axis numerical propagation", Optics Express, Vol.18, No.17, pp.18453-18463, Aug 2010）。シミュレーション条件は、計算領域（界面）：１ｍｍ、グリッドサイズ：１μｍとした。図１０に、ビームパターン像を示す。

図１０（ａ）に示すように、正方格子状に配列した放射素子により、真円状のビームパターンが得られた。すなわち、放射素子自体が傾斜して配置されていても、ビームパターンには影響しないといえる。また、図１０（ｂ）、（ｃ）にそれぞれ示すように、ｘ方向の偏向角ψ_xが最大５．４°、ｙ方向の偏向角ψ_yが最大５．５°となった。これは、光導波路の位相の変化量φがπ（半波長分）であることによる（式（５）より）。本実施例では、光導波路の幅が２μｍと比較的太く、放射素子の配列ピッチｄが波長λの５倍超と大きいため、このような偏向角となったが、微細化により、偏向角の制御範囲を広くすることが可能である。

以上、本発明の光偏向装置を実施するための各実施形態について述べてきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ光偏向装置
１１光導波路
１２，１２Ａ，１２Ｂ放射素子
１ｏ光出力部（傾斜部）
２０，２０Ｃ放射部（合成放射部）
２０Ａ，２０Ｂ放射部
３クラッド層
４第１電極（位相調整手段）
５第２電極（位相調整手段）
６基板

Claims

放射素子をｘｙ面に（Ｍ×Ｎ）配列してなる放射部と（Ｍ，Ｎはそれぞれ２以上の自然数）、一端に前記放射素子のそれぞれを接続する（Ｍ×Ｎ）本の光導波路と、前記光導波路毎に当該光導波路を伝播する光の位相を調整する位相調整手段と、を備え、前記（Ｍ×Ｎ）本の光導波路の他端から光を入力されて、ｘｙ面に対して非平行な方向にビームを前記放射部から出力する光偏向装置であって、
前記放射部は、それぞれの前記放射素子の中心がｘ方向とｙ方向とに沿った矩形格子状に配置され、
前記光導波路は、前記一端側に、ｘ方向に対して、下式（１）で表される一定の角度Ｈで傾斜した直線状に形成された傾斜部を有し、
前記放射素子は、前記光導波路の前記傾斜部に連続した直線状で、前記傾斜部と同じ幅であることを特徴とする光偏向装置。
０°＜Ｈ≦ｔａｎ^-1[(ｄ_y／ｄ_x)／Ｍ]＜９０° ・・・（１）
（ｄ_x：前記放射部のｘ方向における放射素子のピッチ、ｄ_y：前記放射部のｙ方向における放射素子のピッチ、Ｍ：前記放射部のｘ方向における放射素子の配列数）
放射素子をｘｙ面に（Ｍ×Ｎ）配列してなる放射部と（Ｍ，Ｎはそれぞれ２以上の自然数）、一端に前記放射素子のそれぞれを接続する（Ｍ×Ｎ）本の光導波路と、前記光導波路毎に当該光導波路を伝播する光の位相を調整する位相調整手段と、を備え、前記（Ｍ×Ｎ）本の光導波路の他端から光を入力されて、ｘｙ面に対して非平行な方向にビームを前記放射部から出力する光偏向装置であって、
前記放射部は、それぞれの前記放射素子の中心がｘ方向とｙ方向とに沿った矩形格子状に配置され、
前記光導波路は、前記一端側に、ｘ方向に対して、下式（１）で表される一定の角度Ｈで傾斜した直線状に形成された傾斜部を有し、前記傾斜部が、隣り合う２本がｚ方向に段差を有するように１本ずつ交互に段違いで配置されていることを特徴とする光偏向装置。
０°＜Ｈ≦ｔａｎ ^-1 [(ｄ _y ／ｄ _x )／Ｍ]＜９０° ・・・（１）
（ｄ _x ：前記放射部のｘ方向における放射素子のピッチ、ｄ _y ：前記放射部のｙ方向における放射素子のピッチ、Ｍ：前記放射部のｘ方向における放射素子の配列数）
前記光導波路の前記傾斜部およびこれに接続する前記放射素子は、隣り合う２本がｚ方向に段差を有するように１本ずつ交互に段違いで配置され、入力された光の、隣り合う前記放射素子の前記段差における光路長が、前記光の波長の倍数であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光偏向装置。
前記放射部をｘ方向に２つ並べて前記放射素子を（２Ｍ×Ｎ）配列してなる合成放射部を備え、前記ビームを前記合成放射部から出力し、
前記放射部のそれぞれの前記放射素子に接続する（Ｍ×Ｎ）本の光導波路が、前記合成放射部の対向する両外側から前記放射素子に接続していることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の光偏向装置。
前記放射部は、それぞれの前記放射素子の中心が正方格子状に配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の光偏向装置。