JP7031856B2 - ビーム偏向デバイス - Google Patents

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Description

本発明は、ビーム偏向デバイスに関する。
近年、レーザを用いた３次元計測の用途が広がりつつある。自動車、ドローン、ロボットなどに搭載されるレーザレーダ（ＬＩＤＡＲ）、パソコンやスマートフォンに搭載され顔認証などを行う３Ｄセンサ、安全監視システム、製造現場での自動検査装置などは、３次元計測の代表である。
レーザを用いた３次元計測用プロジェクタには、ドット状にパターニングされたストラクチャードライトを測定対象物に照射し、そのパターンの歪みから奥行き情報を取得するストラクチャードライト方式（特許文献１～３）やライン状のレーザ光（以下ライン光と称する）を測定対象物に照射し、このライン光を走査するか測定対象物を移動させるかして３次元形状を求める光切断方式などがある（例えば特許文献４）。
さらには、レーザ加工の用途も広がりを見せている。レーザ加工では金型が不要になることから設計・製造に費やす時間とコストを大幅に削減することが可能である。しかしレーザ加工の用途では高いビーム品質と１００Ｗ級の高出力が求められる。
このように、可動部品や光学部品を必要とせずにレーザビームを直接掃引可能な、小型で高出力な半導体デバイスが求められており、発明者らはＶＣＳＥＬ構造を用いたビーム偏向デバイスを提案・開発を行ってきた（例えば特許文献５、６）。
米国特許第８，３２０，６２１Ｂ２号明細書 米国特許出願公開第２０１４／０２１１２１５Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２０１６／００２５９９３Ａ１号明細書 特開２００４－３３３３６９号公報 特開２０１７－１５７６０９号公報 特開２０１３－０１６５９１号公報
T. Matsuda, F. Abe, and H. Takahashi, "Laser printer scanning system with a parabolic mirror" Appl. Opt., vol. 17, no. 6, pp. 878-884, Mar. 1978. P. F. V. Dessel, L. J. Hornbeck, R. E. Meier, and M. R. Douglass, "A MEMS-based projection display," Proc. IEEE,vol. 86, no. 8, pp. 1687-1704, Aug. 1988. K. Nakamura, J. Miyazu, M. Sasaura, and K. Fujiura, "Wide-angle, low-voltage electro-optic beam deflection based onspace-charge-controlled mode of electrical conduction in KTa1xNbxO3," Appl. Phys. Lett., vol. 89, no. 3, pp. 131115-1-131115-3, Sep. 2006. Y. Kurosaka, S. Iwahashi, Y. Liang, K. Sakai, E. Miyai, W. Kunishi, D. Ohnishi, and S. Noda, "On-chip beam-steering photonic-crystal lasers," Nat. Photon., vol. 4, no. 7, pp. 447-450, May 2010. J. K. Doylend, et.al., "Two-dimensional free-space beam steering with an optical phased array on silicon-on-insulator," Optics Express, vol. 19, no.22, pp.21595-21604, 2011. X. Gu, T. Shimada, and F. Koyama, "Giant and high-resolution beam steering using slow-light waveguide amplifier,"Opt. Exp., vol. 19, no. 23, pp. 22 675-22 683, Nov. 2011. M. Nakahama, X. Gu, T. Shimada, and F. Koyama, "On-Chip high-resolution beam scanner based on Bragg reflector slow-light waveguide amplifier and tunable micro-electro-mechanical system vertical cavity surface emitting laser," Jpn. J. Appl. Phys., vol. 51, no. 4, pp. 040208-1-040208-3, Mar. 2012.
本発明はかかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、ビーム偏向デバイスの提供にある。
本発明のある態様はビーム偏向デバイスに関する。ビーム偏向デバイスは、第１方向に隣接する複数の直線スローライト導波路を備える。各直線スローライト導波路は、第１方向が短手方向であり、第１方向と垂直な第２方向が長手方向である矩形の出射口を有する。このビーム偏向デバイスは、直線スローライト導波路の共振波長と、それを伝搬するスローライトの波長と、が相対的に制御可能に構成される。
本発明の別の態様もまた、ビーム偏向デバイスである。このビーム偏向デバイスは、第１方向に隣接する複数の光放射構造を備える。複数の光放射構造はそれぞれ、遠視野において第１方向に伸びるライン光をデバイス表面から出射可能であり、ライン光を第１方向と垂直な第２方向に掃引可能に構成される。
本発明のある態様によれば、ビーム偏向デバイスを提供できる。
ビーム偏向デバイスの基本構成を示す図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、図１のビーム偏向デバイスの構成例を示す図である。 第１の実施の形態に係るビーム偏向デバイスの斜視図である。 第１の実施の形態に係るビーム偏向デバイスのＡ－Ａ’線での断面図である。 第１の実施の形態に係るビーム偏向デバイスのＢ－Ｂ’線での断面図である。 第１の実施の形態に係るビーム偏向デバイスの平面図である。 第１の実施の形態に係る奇数番号導波路からの投光パターンを示す図である。 第１の実施の形態に係る奇数番号導波路からの投光パターンを示す図である。 第１の実施の形態に係るビーム掃引のための時間プロファイルの説明図である。 第１の実施の形態に係るビーム偏向デバイスの投光パターンを示す図である。 第２の実施の形態に係るビーム偏向デバイスの平面図である。 第３の実施の形態に係るビーム偏向デバイスの平面図である。 第４の実施の形態に係るビーム偏向デバイスの概念図である。 第５の実施の形態に係る奇数番号導波路からの投光パターンを示す図である。 第５の実施の形態に係る奇数番号導波路からの投光パターンを示す図である。 第５の実施の形態に係るビーム偏向デバイスの動作説明図である。
（実施の形態の概要）
本明細書に開示される一実施の形態は、ビーム偏向デバイスに関する。ビーム偏向デバイスは、第１方向に隣接する複数の直線スローライト導波路を備える。各直線スローライト導波路は、第１方向が短手方向であり、第１方向と垂直な第２方向が長手方向である矩形の出射口を有する。ビーム偏向デバイスは、直線スローライト導波路の共振波長と、それを伝搬するスローライトの波長と、が相対的に制御可能に構成される。各直線スローライト導波路の出射口からは、遠視野において第１方向が長手方向であるラインパターンが放射される。複数の直線スローライト導波路が生成する複数のラインパターンは遠視野において干渉し、出射口のサイズおよび複数の直線スローライト導波路の間隔を調節することで、所望の干渉パターンを形成できる。直線スローライト導波路の共振波長と、それを伝搬するスローライトの波長の相対関係に応じて、複数のラインパターンを第２方向に掃引することで、干渉パターンを掃引することができる。
一実施の形態において、ビーム偏向デバイスは、ミアンダ形状を有するミアンダ導波路が形成されるように、複数の直線スローライト導波路を接続する複数の接続導波路をさらに備えてもよい。複数の直線スローライト導波路におけるスローライト光の伝搬方向は交互となり、奇数番目の直線スローライト導波路と、偶数番目の直線スローライト導波路は、異なる領域を照射することとなる。したがって、干渉パターンの掃引範囲を拡張できる。
一実施の形態において、ビーム偏向デバイスは、ミアンダ導波路の一端に、シード光を注入するシード光源をさらに備えてもよい。一実施の形態において、複数の直線スローライト導波路それぞれの一端に、シード光を注入するシード光源をさらに備えてもよい。
一実施の形態において、直線スローライト導波路は、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）および活性層を有するＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）構造を有してもよい。
一実施の形態において、複数の直線スローライト導波路が略等ピッチで平行配置されてもよい。これにより、第１方向に並ぶ複数のドットを含む干渉パターンを形成できる。
複数の直線スローライト導波路の出射光が遠視野に形成する干渉パターンが等間隔な複数のドットを含むように、複数の直線スローライト導波路のピッチが調節されてもよい。
複数の直線スローライト導波路の出射光が遠視野に形成する干渉パターンが単峰性を有するように、複数の直線スローライト導波路のピッチが調節されてもよい。これにより、１個のドットを含む干渉パターンを形成できる。
本発明の別の態様もまた、ビーム偏向デバイスである。このビーム偏向デバイスは、第１方向に隣接する複数の光放射構造を備える。光放射構造は、遠視野において第１方向に伸びるライン光をデバイス表面から出射可能であり、ライン光を第１方向と垂直な第２方向に掃引可能に構成される複数の光放射構造を備える。複数の光放射構造が生成する複数のライン光が遠視野において干渉することで、干渉パターンを第２方向に掃引できる。干渉パターンは、出射口のサイズおよび複数の光放射構造の間隔に応じて設計できる。
（実施の形態）
以下、実施の形態についていくつかの図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
図面に記載される各部材の寸法（厚み、長さ、幅など）は、理解の容易化のために適宜、拡大縮小されている場合がある。さらには複数の部材の寸法は、必ずしもそれらの大小関係を表しているとは限らず、図面上で、ある部材Ａが、別の部材Ｂよりも長く（厚く）描かれていても、部材Ａが部材Ｂよりも短い（薄い）こともあり得る。
（基本構成）
図１は、ビーム偏向デバイスの基本構成を示す図である。ビーム偏向デバイス２００は、複数Ｎ個（Ｎ≧２）の光放射構造２１０＿１～２１０＿Ｎを備える。複数の光放射構造２１０＿１～２１０＿Ｎは、第１方向（Ｘ方向）に隣接して配置される。各光放射構造２１０は、遠視野において第１方向に伸びるライン形状を有するライン光２１２をデバイス表面から出射可能である。光放射構造２１０は、ライン光２１２を第１方向と垂直な第２方向（Ｙ方向）に掃引可能に構成される。
ライン光２１２＿ｉ（ｉ＝１，２…）は、Ｘ方向およびＹ方向に所定の強度分布を有している。この強度分布は、対応する光構造２１０＿ｉの出射口のサイズ、形状、ライン光２１２の投影される仮想的なスクリーンと出射口との距離などに応じて設計される。ライン光２１２は、直線であってもよいし、曲率を持った、あるいは湾曲した曲線であってもよい。複数の光放射構造２１０＿１～２１０＿Ｎが生成する複数のライン光２１２＿１～２１２＿Ｎが遠視野において干渉し、干渉パターン２１４が形成される。干渉パターン２１４は、複数の光放射構造２１０の間隔に応じて設計できる。
複数のライン光２１２＿１～２１２＿Ｎが同時に掃引されることで、干渉パターン２１４も第２方向（Ｙ方向）に掃引される。
図２（ａ）、（ｂ）は、図１のビーム偏向デバイス２００の構成例を示す図である。図２（ａ）にはビーム偏向デバイス２００の平面図が、図２（ｂ）には断面図が示される。ビーム偏向デバイス２００は、複数Ｎ本の直線スローライト導波路（以下、単に直線導波路という）２２０＿１～２２０＿Ｎを備える。複数の直線導波路２２０＿１～２２０＿Ｎは、第１方向（図中、Ｘ方向）に隣接する。
直線導波路２２０は、ＶＣＳＥＬ構造を有することができる。直線導波路２２０は、鉛直方向（Ｚ方向）の共振器長で定まる固有の共振波長λ２を有している。直線導波路２２０は、スローライト光を増幅させながら伝搬させるため、導波路長は、０．５ｍｍ～１０ｍｍ程度に長尺化される。図示しない駆動部によって、直線導波路２２０に発振しきい値電流より大きな電流を注入し、ＶＣＳＥＬ構造で決定する波長λ２で発振させる。この状態で、直線導波路２２０の一端に波長λ１であるコヒーレントな入射光Ｌｉを結合させると、入射光Ｌｉは略鉛直方向に多重反射するスローライト光として増幅されながら伝搬する。直線導波路２２０の表面には、第１方向（Ｘ方向）が短手方向であり、第２方向（Ｙ方向）が長手方向である矩形（スリット状）の出射口２２２が設けられる。直線導波路２２０の出射口２２２から、放射角θｓの出射光Ｌｏが放射され、出射光Ｌｏの遠視野像は、ライン形状となる。
直線導波路２２０内におけるスローライト光の多重反射角をθｉ、出射光Ｌｏの出射角をθｓとするとき、式（１）が成り立つ。
ｓｉｎθｓ＝ｎｓｉｎθｉ＝ｎ√（１－（λ１／λ２）２） …（１）
ｎは直線導波路２２０の屈折率であり、λ２は導波路の共振波長である。
ビーム偏向デバイス２００は、直線導波路２２０の共振波長λ２と、それを伝搬するスローライトの波長λ１と、が相対的に制御可能に構成される。したがって、λ１とλ２の関係にもとづいて、出射角θｓを変化させ、出射口ＬｏをＹ方向に掃引することができる。
一実施例において、直線導波路２２０の共振波長λ２を固定し、スローライト光の波長λ１を掃引することができる。一実施例においては、反対に、スローライト光の波長λ１を固定し、直線導波路２２０の共振波長λ２を掃引してもよい。さらに別の実施例においては、スローライト光の波長λ１と、直線導波路２２０の共振波長λ２の両方を掃引してもよい。
また、複数の直線導波路２２０それぞれの一端には、共通の１個の光源が生成する光を分岐して結合してもよい。あるいは、複数の直線導波路２２０ごとに光源を接続してもよい。
本発明は、上述の説明から導かれるさまざまな装置、方法、回路に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な実施例や変形例を説明する。
（第１の実施の形態）
図３は、第１の実施の形態に係るビーム偏向デバイスの斜視図である。図３に示すように、本実施の形態のビーム偏向デバイス１００は、直線状の出射口１０を備えたスローライト導波路である直線導波路１１を複数平行配置し、直線導波路１１を、曲線状のスローライト導波路である曲線導波路１２を介して直列に接続することで、ミアンダ（meander）形状のスローライト導波路が構成される。このミアンダ形状のスローライト導波路の少なくとも一端側に、光結合部１３を介して入射光Ｌｉを注入するシード光源１４が設けられる。
図４は、ビーム偏向デバイスのＡ－Ａ’線での断面図である。ビーム偏向デバイス１００は、半導体基板２０上にＶＣＳＥＬ構造が積層されている。このＶＣＳＥＬ構造は、半導体基板２０上に形成された下部ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）２１、活性層２２、上部ＤＢＲ２３を備えている。また、スローライト光を発生するシード光源１４、スローライト光が導波する光結合部１３、直線導波路１１、および曲線導波路１２は、酸化狭窄プロセスまたはイオン注入プロセスなどを使用し、所定の導波路幅、導波路長、曲率になるように同一基板上に一体的に集積されて形成される。なお、図３の例では、直線導波路１１を６つ（＃１～＃６）集積した例を示しているが、任意数Ｎ（Ｎは自然数）の直線導波路１１を集積可能である。
スローライト光を発生するシード光源１４、およびスローライト光が導波する光結合部１３、直線導波路１１、曲線導波路１２は、一直線に配置されている。
スローライト光を発生するシード光源１４は、鉛直方向（Ｚ方向）に波長λ１で発振するＶＣＳＥＬであり、特許文献６記載のＭＥＭＳ構造、あるいはシード光源１４の周辺温度を制御する熱駆動構造によってその発振波長λ１を変化させることができる。または、矢印２４に示すように、外部光を入射口から入射することでシード光Ｌｉを発生させてもよい。
波長λ１で発振するシード光源１４の光強度分布２５の一部（シード光Ｌｉ）が光結合部１３に光結合し、光結合部１３では、次段の直線導波路１１との結合効率が良くなるようにビームプロファイルの変換が行われる。
直線導波路１１は、スローライト光を活性層２２にて増幅させながら伝搬させる。このため導波路長（あるいは開口長Ｌ）は、０．５ｍｍ～１０ｍｍ程度に長尺化される。この導波路長は、所望の光出力を得るために必要な直線導波路１１の配置数や投光パターンのビーム品質の要請から決定される。シード光Ｌｉは略鉛直方向に多重反射するスローライト光として増幅されながら伝搬し、直線導波路１１の表面上部に形成された出射口１０から、偏向角θｓの出射光Ｌｏが放射される。直線導波路１１内におけるスローライト光の多重反射角をθｉ、出射光Ｌｏの出射角をθｓとするとき、上述した式（１）が成り立つ。
ｓｉｎθｓ＝ｎｓｉｎθｉ＝ｎ√（１－（λ１／λ２）２） …（１）
ｎは直線導波路１１の導波路の屈折率であり、λ２は直線導波路１１の共振波長である。
この時、出射光Ｌｏは，波面の揃ったコヒーレントな光となるため、偏向角θｓ方向に極めて狭いビーム広がり角Δθｄｉｖを有する。このビーム広がり角Δθｄｉｖは、直線導波路１１の出射口１０の開口長Ｌを用いて、式（２）で与えられる。
Δθｄｉｖ＝λ１／（Ｌ・ｃｏｓθｓ） … （２）
すなわち、出射口１０の開口長Ｌが長いほどビーム広がり角Δθｄｉｖは狭くなり、同時に各直線導波路１１の高出力化が達成される。これにより、シード光Ｌｉの波長λ１を変化させることにより偏向角θｓが変化するため、ビームを掃引させることが可能となる。
図３に戻る。曲線導波路１２は、複数の直線導波路１１を直列に連結して接続する。この時、複数の直線導波路１１は出射口１０の開口長Ｌを略同一として平行配置される。なお、出射口１０以外の領域から光が放射されないように、少なくとも光結合部１３の上部領域２６、直線導波路１１の出射口１０以外の領域２７、曲線導波路１２の上部領域２８は、Ａｕ（金）などの高反射材料で光放射を遮蔽する。
図５は、ビーム偏向デバイス１００のＢ－Ｂ’線での断面図を表している。Ｂ－Ｂ’線での断面図は、複数の直線導波路１１が等ピッチにて平行配置される。直線導波路１１それぞれの開口幅を同一値ａとした場合を示しており、スローライトの伝搬方向が同じ直線導波路１１のピッチはηである。この時、回折角φについて式（３）が成り立つ。
φ＝λ１／ａ … （３）
図３において、直線導波路１１を図手前から順番をつけると、シード光源１４から入力された光は、直列接続された直線導波路１１＃１から＃６の導波路内を順次伝搬するとともに各出射口１０から光を放射する。本実施の形態のビーム偏向デバイス１００は、曲線導波路１２によりミアンダ形状に構成されているため、矢印で示すように、奇数番号の直線導波路１１（＃１，３，５）からは図中右上方方向に光が放射し、偶数番号の直線導波路１１（＃２、＃４、＃６）からは左上方方向に光が放射することになる。
つまり、図３のビーム偏向デバイス１００は、図１あるいは図２を参照して説明したビーム偏向デバイス２００を、２セット備えている。第１のセットは、奇数番号のスローライト導波路１１（＃１，３，５）により形成され、第２のセットは、偶数番号のスローライト導波路１１（＃２，４，６）により形成される。
このビーム偏向デバイス１００によれば、奇数番目の直線スローライト導波路と、偶数番目の直線スローライト導波路は、異なる領域を照射することとなる。したがって、干渉パターンの掃引範囲を拡張できるという利点がある。また、図１に示すようにすべての導波路に、同じ方向にスローライト光を伝搬させると、複数の導波路それぞれに、入射光Ｌｉを分岐してカップリングする必要があるが、第１の実施の形態では、ミアンダ形状の導波路の端部に１個、あるいは２個の光源を配置すればよいため、装置を簡素化できる。
図６は、図１のビーム偏向デバイスの平面図である。複数の直線導波路１１は、曲線導波路１２により接続され、ミアンダ形状の導波路が形成される。この例では、ミアンダ形状の導波路の両端に、シード光源１４ａ、１４ｂが配置される。シード光源１４ａ、１４ｂの波長λ１を変化させることにより、それぞれの波長に対応した異なる偏向角の方向にビームを偏向させることができる。
図７は、非掃引時における、奇数番号の直線導波路１１から放射される投光パターンを示す図である。奇数導波路１１＃１からシード光Ｌｉが入力され、奇数番号の直線導波路１１が配置されるピッチをη、開口幅をａとする（図５を参照）。
図７においてある波長λ１の光が導波されるとすると、図５に示すように、各直線導波路１１から式（３）で決定される回折角φで光が放射される。スローライト伝搬方向が同じ（奇数番号、または偶数番号）直線導波路１１から放射する光は、スローライト伝搬方向と垂直方向（図中Ｙ方向）に干渉する。ピッチηと開口幅ａを調節することにより、その干渉パターンとして、ライン状のドットパターン５１を形成することができる。さらに、直線導波路１１の配置数Ｎを大きくすることにより、大出力動作が可能となり、かつドット形状（ビーム広がり角）を小さくすることができるため、各ドットの光パワー密度を高めることができる。
この干渉パターンのドット間隔Δφは、スローライト伝搬方向が同じ（奇数番号、または偶数番号）直線導波路１１のピッチηを用いて式（４）が成り立つ。
Δφ＝ｓｉｎ－１（λ１／η） … （４）
図８は、図７のドットパターンを掃引して得られる投光パターンを示す図である。シード光源１４から発生するシード光Ｌｉの波長λ１を離散的に変化させると、式（１）に従って偏向角θｓをθｍｉｎからθｍａｘまでビームを掃引することができ、２次元状のドットパターン６１ｏｄを生成することができる。
尚、この２次元状のドットパターン６１ｏｄは完全な格子状にはならず、偏向角θｓの掃引に応じて、掃引方向と垂直方向にドット位置がずれていく。これは、シード光Ｌｉの波長λ１が変化することによって各直線導波路１１から放射される光の位相がずれていくことに起因する。格子形状の２次元状のドットパターン６１ｏｄが要求される場合、例えば曲線導波路１２に位相調整の機能を付加し、各直線導波路１１から放射される光の位相が等しくなるように制御すればよい。
図９は、ビーム掃引のための時間プロファイルの説明図である。本実施の形態のビーム偏向デバイス１００は、時間プロファイルに基づいて所望数の掃引パターンを形成する。
まず偏向角θｓの範囲θｍｉｎとθｍａｘを設定する。この偏向角の範囲内に対して掃引するライン光数ｎを設定する。図９では時間とともにビーム偏向デバイス１００から放射する光の偏向角θｓ（θ１～θｎ）を時間ｔとともに連続的に掃引する例を示している。例えば時間ｔ１において偏向角θｓがθ１となった場合には、シード光Ｌｉの強度Ｉｐをパルス状に時間変化させる。同様の処理を時間ｔ１～ｔｎにおいて偏向角θ１からθｎまでｎ回繰り返す。
図１０は、奇数番号および偶数番号の直線導波路１１から放射される投光パターンの説明図である。図８では、奇数番号の直線導波路１１から放射される投光パターン６１ｏｄを示したが、同時に偶数番号の直線導波路１１からも同様のパターン６１ｅｖが投光される。この投光パターン６１ｏｄと投光パターン６１ｅｖは、線対称の関係になる。このように、線対称の投光パターン６１ｏｄと投光パターン６１ｅｖは、同時に３次元計測用の測定対象物に投光してもよい。あるいは一方を測定対象物に投光する投光パターンとし、他方を３次元計測の参照パターンとすることができる。
以上述べたように、第１の実施の形態によれば、ドット形状の投光パターンを生成することが可能となり、かつ直線導波路１１の配置数を調整することにより、高出力化とビームプロファイルの高品質化が得られるため、各ドットのパワー密度を高くすることができる。また、直線導波路１１がミアンダ形状に折りたたまれた構造のため、デバイスサイズの小型化が可能である。
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態では、さらに複雑なドットパターンを生成する技術を説明する。図１１は、第２の実施の形態に係るビーム偏向デバイスの平面図である。図６との違いは、複数の直線導波路１１をまとめて一つのブロックを形成し、各ブロック内の直線導波路１１の出射口１０の開口幅ａ、ピッチηのどちらか一方あるいは両方を異なる値に設定している点である。
図１１では、直線導波路１１＃１～＃６のブロック１００ａと、直線導波路１１＃７～＃１２のブロック１００ｂで構成された例を示している。この例では、ブロック１００ａとブロック１００ｂの開口幅ａとピッチηの両方の値を変えた例を示している。このように配置されたビーム偏向デバイス１００から投光される投光パターンは、回折角φとドット間隔Δφの異なる投光パターンの重ね合わせとなり、ドットパターンの密度（数）を増加させることができる。形成するブロック数は２つとは限定されず任意数である。この時、形成したブロック数の投光パターンが重ね合わされる。
各ブロックで開口幅ａのみを変更した場合には、回折角φが異なるドットパターンを重ね合わせることができる。ピッチηのみを変更した場合には、ドット間隔Δφの異なるドットパターンを重ね合わせることができる。
各ブロックから投光されるドットパターンを分離したい場合には、各ブロックにシード光源１４（図１１においては１４ａ、１４ｂ）を設け、それぞれのシード光源１４を異なる波長λ１または異なる時間プロファイルで投光パターンを生成すればよい。実施の形態によっては、ブロック１００ａとブロック１００ｂとを接続している光結合部１３ｂを無くし、各ブロック１００ａ、１００ｂを独立のビーム偏向デバイスとして制御しても構わない。
第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果に加え、回折角φとドット間隔Δφのうち少なくともどちらか一方あるいは両方が異なる投光パターンを複数重ね合わせて投光することが可能となる。また、各ブロックにそれぞれシード光源を配置すれば、それぞれの投光パターンを時間的に分離することができる。
（第３の実施の形態）
図１２は、第３の実施の形態におけるビーム偏向デバイスの平面図である。図１１との大きな違いは、ブロック１００ｂを９０°回転し、ブロック１００ａとブロック１００ｃの直線導波路１１を直交させ配置した例である。各ブロックの配置角度は、９０°に制限されず、任意の角度で配置してよい。さらには、各ブロックで直線導波路１１の開口幅ａ、ピッチηを変更することができる。
第３の実施の形態によれば、回折角φとドット間隔Δφのうち少なくともどちらか一方あるいは両方が異なる投光パターンを、角度を変えて複数重ね合わせて投光することが可能となる。また、第２の実施の形態と同様に各ブロックにそれぞれシード光源１４（図１２においては１４ａ、１４ｃ）を配置すれば、それぞれの投光パターンを時間的に分離することができる。
（第４の実施の形態）
図１３は、第４の実施の形態におけるビーム偏向デバイスの概念図である。本実施の形態のビーム偏向デバイス１００は、半導体基板２０に対して垂直にビームを放射することが難しい。従って、投光対象物が半導体基板２０の前方にある場合には、ビーム偏向デバイス１００を傾けて実装するか、もしくは図１３に示すように、ビーム偏向デバイス１００の上方に光学部品を配置し、偏向ビームの角度を変えることができる。図１３の例では、ビーム偏向デバイス１００の上方に三角形状のレンズ１１１を配置することで、奇数番号の直線導波路１１からの投光パターン６１ｏｄと偶数番号の直線導波路１１からの投光パターン６１ｅｖを重ね合わせて投光することができる。
第４の実施の形態によれば、ビーム偏向デバイス１００から垂直方向に投光パターンを放射可能となり、かつ奇数番号の直線導波路１１からの投光パターン６１ｏｄと偶数番号の直線導波路１１からの投光パターン６１ｅｖを重ね合わせて投光することができるため、広い偏向角の投光パターンが得られる。
（第５の実施の形態）
図１４は、第５の実施の形態に係る奇数番号の直線導波路１１から放射される非掃引時の投光パターンの説明図であり、図１５は掃引時の投光パターンの説明図である。直線導波路１１＃１からシード光Ｌｉが入力され、各直線導波路１１のピッチηｉ（ｉ＝＃１～＃Ｎ－１）、および開口幅ａｉ（ｉ＝＃１～＃Ｎ）に対して任意値を設定することで、所望のドットパターンを生成する。
実施の形態１～４においては、ライン状のドットパターンを、偏向角θｓを掃引することでドット状の２次元パターンを投光する例について説明した。本実施の形態では、ピッチη、開口幅ａを直線導波路１１毎に不均一に変化させることにより、単峰性のドット１２１を生成し、これを時間プロファイルに従って掃引することにより、偏向角方向にライン状のドットパターン１３１が得られる。
図１６は、単峰性のドットを形成するための概略動作の説明図である。今、ビーム偏向デバイス１００の中心近傍にある奇数番号の直線導波路１１をＯｄｄ＿ｉとし、その両隣にある直線導波路１１をＯｄｄ＿ｉ－１、Ｏｄｄ＿ｉ＋１とする。この時Ｏｄｄ＿ｉの開口幅をａ１、Ｏｄｄ＿ｉ－１の開口幅をａ２、Ｏｄｄ＿ｉ＋１の開口幅をａ３とする。また、Ｏｄｄ＿ｉとＯｄｄ＿ｉ－１のピッチをη０、ｄｄ＿ｉとＯｄｄ＿ｉ＋１のピッチをη１とする。
この時、各直線導波路１１のＯｄｄ＿ｉ－１、Ｏｄｄ＿ｉ、Ｏｄｄ＿ｉ＋１は、それぞれ回折角φ２、φ１、φ３であり、それぞれ異なるビームプロファイル１４２、１４１、１４２の光を放射する。垂直方向においては、全てのビームプロファイル１４２、１４１、１４２は、遠方にて加算されるが、回折角が垂直以外の光（図中φｄで示す）においては、Ｏｄｄ＿ｉ－１、Ｏｄｄ＿ｉ、Ｏｄｄ＿ｉ＋１の間の位相ずれが発生する。上記の説明は３つの直線導波路１１についての議論であるが、Ｎ個の直線導波路１１の回折位相を垂直方向以外には強め合わない条件に設定することにより、単峰性のドットプロファイルが得られる。
ピッチηの変化は、各直線導波路１１の位相ずれを大きく生じさせることができ、開口幅ａの変化は、各直線導波路１１の位相ずれを小さく生じさせることができる。従って、不均一なピッチηあるいは開口幅ａは、単峰性ドットを形成する以外にも効果的である。実施の形態１～４においても、ピッチηあるいは開口幅ａを各直線導波路１１で微調整することにより、各ドットの強度を均一にする、ライン状のドットパターンに生じる高次の干渉パターンを抑制する、或いは強調することなどにも効果があり、所望の投光パターンが可能となる。
第５の実施の形態によれば、単峰性ドットを形成することができるため、さらに高いパワー密度を有するビームを生成し、これを掃引することが可能となる。
また、本実施の形態は実施の形態１から５までを例として説明したがこれに限定されないことは言うまでもない。また、これらの実施の形態を組み合わせることが可能である。これにより、複雑な投光パターンを生成でき種々の用途で使用できる。
さらに、直線導波路１１毎に独立して電流を供給する構造にし、各直線導波路から放射する光パワーを均一にしてもよい。本実施の形態は、直線導波路１１を多段接続していることから高出力化が可能であり、ミアンダ形状に折りたたまれているため小型化が可能である。なお、ＶＣＳＥＬ構造のスローライト導波路を実施の形態としたが、フォトニック結晶を用いたスローライト導波路などの各種スローライト導波路で適用可能である。
尚、本発明のいくつかの実施の形態を述べたが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。本実施の形態及びその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１００ ビーム偏向デバイス
１１１ レンズ
１２１ ドット
１３１ ラインパターン
１４２ ビームプロファイル
１０ 出射口
１１ 直線導波路
１２ 曲線導波路
１３ 光結合部
１４ シード光源
２０ 半導体基板
２２ 活性層
２３ 上部ＤＢＲ
２５ 光強度分布
２６，２８ 上部領域
５１ ラインパターン
２００ ビーム偏向デバイス
２１０ 光放射構造
２２０ 直線導波路

Claims (8)

  1. 第１方向に隣接する複数の直線スローライト導波路であって、各直線スローライト導波路は、前記第１方向が短手方向であり、前記第１方向と垂直な第２方向が長手方向である矩形の出射口を有する、複数の直線スローライト導波路を備え、
    前記複数の直線スローライト導波路の出射光が遠視野に形成する干渉パターンが、前記第１方向に並ぶ複数のドットを含むように、前記複数の直線スローライト導波路のピッチが調節されており、
    前記直線スローライト導波路の共振波長と、それを伝搬するスローライトの波長を相対的に制御することにより、前記複数のドットを前記第２方向に掃引可能に構成されることを特徴とするビーム偏向デバイス。
  2. 第１方向に隣接する複数の直線スローライト導波路であって、各直線スローライト導波路は、前記第１方向が短手方向であり、前記第１方向と垂直な第２方向が長手方向である矩形の出射口を有する、複数の直線スローライト導波路と、
    奇数番目の直線スローライト導波路の光の導波方向と、偶数番目の直線スローライト導波路の光の導波方向と、が反対であるミアンダ形状を有するミアンダ導波路が形成されるように、前記複数の直線スローライト導波路を接続する複数の接続導波路と、
    を備え、
    前記直線スローライト導波路の共振波長と、それを伝搬するスローライトの波長を相対的に制御することにより、奇数番目の直線スローライト導波路が遠視野に形成する干渉パターンと、偶数番目の直線スローライト導波路が遠視野に形成する干渉パターンとを、異なる領域で前記第２方向に掃引可能に構成されることを特徴とするビーム偏向デバイス。
  3. 前記ミアンダ導波路の一端に、シード光を注入するシード光源をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載のビーム偏向デバイス。
  4. 前記複数の直線スローライト導波路それぞれの一端に、シード光を注入するシード光源をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のビーム偏向デバイス。
  5. 前記直線スローライト導波路は、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）および活性層を有するＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）構造を有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のビーム偏向デバイス。
  6. 前記複数の直線スローライト導波路が略等ピッチで平行配置されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のビーム偏向デバイス。
  7. 前記複数のドットが等間隔となるように、前記複数の直線スローライト導波路のピッチが調節されることを特徴とする請求項１に記載のビーム偏向デバイス。
  8. 前記複数の直線スローライト導波路の出射光が遠視野に形成する干渉パターンが単峰性を有するように、前記複数の直線スローライト導波路のピッチが調節されることを特徴とする請求項２に記載のビーム偏向デバイス。
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