JP7077727B2

JP7077727B2 - 光偏向素子

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Publication number: JP7077727B2
Application number: JP2018071120A
Authority: JP
Inventors: 大介井上; 正市川; 朱里中尾; 達弥山下
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2018-04-02
Filing date: 2018-04-02
Publication date: 2022-05-31
Anticipated expiration: 2038-04-02
Also published as: JP2019184649A

Description

本発明は、光偏向素子に関する。

非特許文献１には、大規模ナノフォトニックアレイを用いたアンテナが開示されている。このようなアンテナは、測定対象物との距離を測定するレーザレーダ装置に適用される。

Large-scale nanophotonic phased array（Nature Vol.493, P195-199, 2013)

しかしながら、非特許文献１に開示されたアンテナは、ナノフォトニックアレイのピッチが大きいので、所望方向以外にも強い指向性を有するグレーティングローブと呼ばれるビームが発生しやすいという問題があり、その結果、レーザレーダ装置のスキャン角が狭くなるおそれがあった。

また、レーザによる走査方向が、１次元、例えばＸ軸方向及びＹ軸方向のいずれか一方向に限定されるという問題があった。

本発明は、上記に示した問題点を鑑みてなされたものであり、従来よりも簡便な構造で、グレーティングローブの発生を抑制すると共に、レーザ光を２次元で偏向可能な光偏向素子を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、レーザ光源から出力されたレーザ光を複数の光路に分配する分配器と、不純物半導体で構成され、レーザ光を前記光路に導く導波路と、通電により前記光路を通過するレーザ光の位相を変化させる移相器と、前記分配器で複数の光路に分配されたレーザ光を散乱させて出射すると共に、通電により屈折率が変更可能な回折格子と、前記導波路の前記分配器側にビアを介して電気的に接続された第１電極と、前記回折格子のレーザ光が入射する側の端部とは反対側の端部を越えて延伸された前記導波路の前記反対側の端部に、ビアを介して電気的に接続された第２電極と、を備え、前記第１電極及び前記第２電極を介した前記導波路及び前記回折格子への通電により、前記導波路及び前記回折格子の各々の屈折率を変化させる。

請求項２に記載の発明は、前記回折格子は、導電性を有する不純物半導体の薄膜の上に、前記薄膜と同じ不純物半導体で構成され、前記薄膜への通電で前記薄膜と共に発熱することにより、前記屈折率を変更する。

請求項３に記載の発明は、前記第１電極及び前記第２電極から通電された電流が前記導波路及び前記薄膜を介して前記回折格子に供給される。

また、請求項４に記載の発明のように、前記移相器は、前記導波路を加熱するヒータを含む構成でもよい。

また、請求項５に記載の発明のように、前記回折格子の上層に、前記回折格子よりも屈折率が高く、かつ前記回折格子に対応するピッチを有する他の回折格子を備えてもよい。

また、請求項６に記載の発明のように、前記回折格子の下層に、前記回折格子よりも屈折率が高く、かつ前記回折格子に対応するピッチを有する回折格子を備えてもよい。

以上説明したように、従来よりも簡便な構造で、グレーティングローブの発生を抑制すると共に、レーザ光を２次元で偏向可能になる、という効果を奏する。

本発明の第１の実施の形態に係る光偏向素子の構成例を示す図である。本発明の第１の実施の形態に係る光偏向素子の動作原理を示した説明図である。（Ａ）は、一方のヒータを発熱させると共に、半導体薄膜に電流を通電した場合のレーザ光の出射方向を示した概略図であり、（Ｂ）は、他方のヒータを発熱させると共に、半導体薄膜に電流を通電した場合のレーザ光の出射方向を示した概略図である。本発明の第１の実施の形態に係る光偏向素子の製造工程を示した説明図である。本発明の第２の実施の形態に係る光偏向素子の回折格子に係る部分を示した概略図である。本発明の第３の実施の形態に係る光偏向素子の概略図である。本発明の第４の実施の形態に係る光偏向素子の概略図である。本発明の第４の実施の形態に係る光偏向素子の電極及び導波路の位置関係を示した斜視図である。本発明の第５の実施の形態に係る光偏向素子の概略図である。図９のＡ－Ａ線で位相変調器を切断した場合の断面図である。

［第１の実施の形態］
以下、図面を参照して本発明の第１の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本実施の形態に係る光偏向素子１０の構成例を示す図である。光偏向素子１０は、レーザレーダ装置の光フェーズドアレイアンテナ等に用いられる素子である。

図１に示すように、光偏向素子１０は、レーザ光源（図示せず）から照射されたレーザ光を後述する回折格子４０まで導く導波路３２と、導波路３２を加熱するヒータ３８Ａ、３８Ｂと、回折効果により散乱させたレーザ光を測定対象物（図示せず）に投光する回折格子４０と、を含む。

導波路３２は、ヒータ３８Ａ、３８Ｂの手前で複数の導波路３２－１～３２－８に分岐し、レーザ光を分配する分配器として機能する。以下では、導波路３２－１から導波路３２－８を一括して「導波路３２」と称する場合がある。

導波路３２－１～３２－８の端部には回折格子４０が各々設けられている。導波路３２を伝播した送信光は、回折格子４０から測定対象物に向けて放射される。

また、ヒータ３８Ａ、３８Ｂに通電して導波路３２を加熱することにより、導波路３２を伝播する光の屈折率を変化させ、複数の回折格子４０（回折格子アレイ）から放射される光の方向を変えることができる。

ヒータ３８Ａは、導波路３２－１から導波路３２－８に向かうに従って、導波路３２を加熱する面積が大きくなるような形状を有する。一例として、図１ではヒータ３８Ａが三角形の形状である場合について示した。逆に、ヒータ３８Ｂは、導波路３２－１から導波路３２－８に向かうに従って、導波路３２を加熱する面積が小さくなるような形状を有する。一例として、図１ではヒータ３８Ｂが逆三角形の形状である場合について示した。ヒータ３８Ａ、３８Ｂは、Ｓｉ基板上にチタン、白金等の導電率が比較的低い金属を蒸着して生成してもよいし、Ｐ型半導体又はＮ型半導体等の不純物半導体で構成してもよい。

導波路３２を構成するＳｉＯ₂の光の屈折率は、導波路３２に供給される熱量（ヒータ３８Ａ、３８Ｂの発熱量）に比例して増大する。従って、ヒータ３８Ａ、３８Ｂにより導波路３２が加熱されると、ヒータ３８Ａ、３８Ｂの発熱量に対して導波路３２を通過する光の位相が線形的に変化し、結果的に、ヒータ３８Ａ、３８Ｂは光の位相を変化させる移相器として機能する。その結果、導波路３２－１～３２－８の各々から放射されるレーザ光は、加熱によって増大した屈折率に応じて伝播方向が変化する。

回折格子４０の基部には、Ｓｉ単結晶にホウ素又はアルミニウム等の微量の三価元素を添加（ドープ）して得たＰ型半導体の薄膜が設けられており、Ｐ型半導体の薄膜上にはＰ型半導体で構成された回折格子４０が設けられている。当該薄膜に電流Ｉが通電されると、薄膜と回折格子４０にはジュール熱が生じる。かかるジュール熱により、回折格子４０の屈折率は回折格子４０のピッチ（回折格子の各格子の間隔）が変化した場合と同様に変化し、レーザ光の伝播方向が変化する。電流Ｉの通電方向は、図１の方向に限定されず、図１とは逆方向の通電でもよい。

回折格子４０の基部に設けられる不純物半導体の薄膜は、Ｎ型半導体でもよい。かかる場合には、Ｓｉ単結晶にリン又はヒ素等の微量の五価元素をドープすることにより、Ｎ型半導体の薄膜を得る。

図２は、本実施の形態に係る光偏向素子１０の動作原理を示した説明図である。図２に示したように、回折格子４０は、Ｐ型半導体又はＮ型半導体で構成された半導体薄膜４２の上に設けられている。

ヒータ３８Ａ、３８Ｂが作動（発熱）せず、半導体薄膜４２に電流Ｉが通電されない場合、導波路３２に入射したレーザ光は、出射方向４４に示したＹ軸に平行となる。図２では、出射方向４４のＹ軸は、半導体薄膜４２及び回折格子４０の上端部の各面に対して略垂直に描かれている。実際には、出射方向４４のＹ軸は、回折格子４０のピッチ等の要素が影響し、半導体薄膜４２及び回折格子４０の上端部の各面に対して略垂直とはならないが、ヒータ３８Ａ、３８Ｂ及び電流Ｉの通電の効果の説明を簡易化するために、便宜上は略垂直であるとする。

図２において、ヒータ３８Ａ、３８Ｂを発熱させると、導波路３２の屈折率の増大により、出射方向４４は、Ｘ軸方向に変化する。また、半導体薄膜４２に電流Ｉを通電すると、出射方向４４は、Ｚ軸方向に変化する。

図３（Ａ）は、ヒータ３８Ａを発熱させると共に、半導体薄膜４２に電流Ｉを通電した場合のレーザ光の出射方向４４を示した概略図であり、図３（Ｂ）は、ヒータ３８Ｂを発熱させると共に、半導体薄膜４２に電流Ｉを通電した場合のレーザ光の出射方向４４を示した概略図である。

図３（Ａ）、（Ｂ）に示したように、半導体薄膜４２に電流Ｉを通電すると、回折格子４０の屈折率が変化し、レーザ光の出射方向４４は、Ｚ⁺方向にシフトする。かかる状態で、ヒータ３８Ａを発熱させると、レーザ光の出射方向４４は、Ｘ⁺方向にシフトし、図３（Ａ）に示したような態様となる。また、ヒータ３８Ｂを発熱させると、レーザ光の出射方向４４は、Ｘ^-方向にシフトし、図３（Ｂ）に示したような態様となる。

本実施の形態では、ヒータ３８Ａ、３８Ｂの通電と、半導体薄膜４２への通電を制御することにより、レーザ光を様々な方向へ投光することが可能となる。

図４は、本実施の形態に係る光偏向素子１０の製造工程を示した説明図である。図４（Ａ）に示したように第１Ｓｉ層５０に第１ＳｉＯ₂層と第２Ｓｉ層５４とを積層させてウエハ状のＳＯＩ基板を作成する。次に、図４（Ｂ）に示したように、第２Ｓｉ層５４上の一部をフォトレジスト５６でマスクする。さらに、図４（Ｃ）に示したように、イオン５８をドープして、第２Ｓｉ層５４の一部を不純物半導体にする。第２Ｓｉ層５４を、Ｐ型半導体にする場合は、アルミニウム又はホウ素等のイオンをドープし、Ｎ型半導体にする場合は、リン又はヒ素等のイオンをドープする。

図４（Ｄ）の工程では、フォトレジスト５６を除去し、基板を加熱するアニーリングにより、残存するフォトレジスト５６を完全に除去する。図４（Ｅ）に示した工程では、第２Ｓｉ層５４のイオン５８をドープした部分をフォトレジスト６０でマスクした後、図４（Ｆ）に示したように、ドライエッチングでフォトレジスト６０によって保護されていない第２Ｓｉ層５４を除去し、さらにフォトレジスト６０を除去して、不純物半導体層６２を生成する。

図４（Ｇ）に示した工程では、回折格子４０のパターンとなるように、不純物半導体層６２の表面をフォトレジスト６４でマスクし、図４（Ｈ）に示したように、ドライエッチングを行って、格子６６と半導体薄膜６８とを生成する。

図４（Ｉ）に示した工程では、フォトレジスト６４を除去後、第１ＳｉＯ₂層５２、半導体薄膜６８、格子６６上に、ＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：プラズマ化学気相成長）等によって第２ＳｉＯ₂層７０を堆積させる。図４（Ｊ）に示した工程では、エッチングにより第２ＳｉＯ₂層７０を蝕刻して、コンタクトホール７２を形成する。

図４（Ｋ）に示した工程では、半導体薄膜６８と電気的に接続するようにスパッタリング等によってアルミ層７４を堆積させ、図４（Ｌ）に示した工程では、エッチングでアルミ層７４の一部を除去し、半導体薄膜６８と電気的に接続された電極７４Ａ、７４Ｂを各々生成して、光偏向素子１０を製造する。

以上説明したように、本実施の形態に係る光偏向素子１０は、Ｓｉ基板を、半導体素子の製造で一般に用いられるフォトリソグラフィにより製造する。フォトリソグラフィであれば、精密かつ微細な回折格子４０の製造は容易であり、簡易な方法で、グレーティングローブの発生を抑制することができる。また、ヒータ３８Ａ、３８Ｂ及び半導体薄膜４２への電流Ｉの通電により、レーザ光を２次元で偏向させることができる。

［第２の実施の形態］
続いて本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１回折格子４０Ａ、と第２回折格子４０Ｂとを備える点で第１の実施の形態と相違するが、その他の構成については第１の実施の形態と同じなので、その他の構成についての詳細な説明は省略する。

図５は、本実施の形態に係る光偏向素子の回折格子に係る部分を示した概略図である。図５に示したように、本実施の形態に係る光偏向素子は、第１の実施の形態と同様に、電流Ｉが通電される半導体薄膜４２上に設けられた第１回折格子４０Ａの上に第１回折格子４０Ａより屈折率が高く、かつ第１回折格子４０Ａに対応するピッチを有する第２回折格子４０Ｂが設けられている。

第１回折格子４０Ａで散乱されたレーザ光は、第２回折格子４０Ｂによってさらに散乱されるので、第１の実施の形態に係る光偏向素子１０よりも、広範囲にレーザ光を拡散させることができる。

また、第１の実施の形態と同様に、半導体薄膜４２に電流Ｉを通電することにより、レーザ光の出射方向４４を、図３のようにＺ⁺方向にシフトさせることができる。

［第３の実施の形態］
続いて本発明の第３の実施の形態について説明する。本実施の形態は、回折格子４０の下層に、回折格子４０より屈折率が高く、かつ第１回折格子４０Ａに対応するピッチを有する反射回折格子４０Ｃを備える点で第１の実施の形態と相違するが、その他の構成については第１の実施の形態と同じなので、その他の構成についての詳細な説明は省略する。

図６は、本実施の形態に係る光偏向素子の概略図である。導波路３２から入射したレーザ光は、回折格子４０で散乱され、出射方向４４に出射されるが、レーザ光の一部は半導体薄膜４２を透過して、出射方向４４には出射されず、結果として、回折格子４０から出射されるレーザ光の強度が低下する場合がある。

本実施の形態に係る光偏向素子は、半導体薄膜４２を透過したレーザ光を反射回折格子４０Ｃで反射して出射方向４４に出射させることにより、回折格子４０から出射されるレーザ光の強度の低下を抑制することができる。

また、第１の実施の形態と同様に、半導体薄膜４２に電流Ｉを通電することにより、レーザ光の出射方向４４を、図３のようにＺ⁺方向にシフトさせることができる。また、ヒータ３８Ａ、３８Ｂを制御することにより、レーザ光の出射方向４４を図３のように、Ｘ⁺方向又はＸ^-方向にシフトさせることができる。

［第４の実施の形態］
続いて本発明の第４の実施の形態について説明する。本実施の形態は、電極１７２Ａ、１７２Ｂと、Ｐ型又はＮ型の不純物半導体で構成され、電極１７２Ａから電極１７２Ｂに電流Ｉが通電される導波路１７８を有する点で第１の実施の形態と相違するが、その他の構成については第１の実施の形態と同じなので、その他の構成についての詳細な説明は省略する。

図７は、本実施の形態に係る光偏向素子の概略図である。電極１７２Ａから導波路１７８を介して電極１７２Ｂに電流Ｉが通電されると、回折格子４０の屈折率が変化して、回折格子４０から出射されるレーザ光の出射方向４４を、図３のようにＺ⁺方向にシフトさせることができる。また、第１の実施の形態と同様に、ヒータ３８Ａ、３８Ｂを制御することにより、レーザ光の出射方向４４を図３のように、Ｘ⁺方向又はＸ^-方向にシフトさせることができる。

図８は、本実施の形態に係る光偏向素子の電極１７２Ａ、１７２Ｂ及び導波路１７８の位置関係を示した斜視図である。図８では、電極１７２Ａ、１７２Ｂ及び導波路１７８の位置関係を明確にするため、光偏向素子を構成するＳｉ基板、ＳｉＯ₂層等の図示を省略している。

電流Ｉが電極１７２Ａから通電された場合、電流Ｉは、アルミビア１７４を介してレーザ光を分岐させる方向性結合器１８０近くで導波路１７８に流れ、アルミビア１７６を介して電極１７２Ｂに流れるようになっている。電流Ｉは、電極１７２Ｂから通電され、アルミビア１７６を介して導波路１７８に流れ、アルミビア１７４を介して電極１７２Ａに流れるようでもよい。

導波路１７８を流れる電流Ｉにより、導波路１７８は加熱され、屈折率が変化する。また、導波路１７８を流れる電流Ｉの一部は、半導体薄膜４２を介して不純物半導体で構成された回折格子４０にも流れ、ジュール熱を生じさせる。その結果、レーザ光の出射方向４４をＺ軸方向にシフトさせることが可能になる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、導電性を有する導波路１７８に通電することにより、導波路１７８の屈折率と回折格子４０の屈折率を変更でき、グレーティングローブの発生を抑制すると共に、レーザ光を２次元で偏向することができる。

本実施の形態に係る光偏向素子は、第２の実施の形態のように、回折格子４０の上層に第２回折格子４０Ｂを備えていてもよい。また、第３の実施の形態のように、回折格子４０の下層に、反射回折格子４０Ｃを備えていてもよい。

［第５の実施の形態］
続いて本発明の第５の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１の実施の形態の導波路３２及びヒータ３８Ａ、３８Ｂに代えて、位相変調器１３０を有する点で第１の実施の形態と相違するが、その他の構成については第１の実施の形態と同じなので、その他の構成についての詳細な説明は省略する。

図９は、本実施の形態に係る光偏向素子の概略図である。後述するように、位相変調器１３０は、導波路１３２（１３２－１～１３２－８）にＳｉのＮ型拡散領域１３２ＡとＳｉのＰ型拡散領域１３２Ｂとで構成されたＰＮ接合を含み、当該ＰＮ接合に通電するためのＮ電極１３８Ａ、Ｐ電極１３８Ｂを有している。

図１０は、図９のＡ－Ａ線で位相変調器１３０を切断した場合の断面図である。位相変調器１３０は、一例として、Ｓｉの基板１３４、Ｓｉの導波路１３２、導波路１３２の両側に配置されたＳｉのＮ型拡散領域１３２Ａ、ＳｉのＰ型拡散領域１３２Ｂ、ＳｉＯ₂で構成されたクラッド１３６、およびＮ電極１３８Ａ、Ｐ電極１３８Ｂを含んで構成されている。

導波路１３２内には、Ｎ型拡散領域１３２Ａ及びＰ型拡散領域１３２ＢによるＰＮ接合が形成されており、Ｎ電極１３８Ａ及びＰ電極１３８Ｂを介して該ＰＮ接合に電流を流すことにより、導波路１３２を伝搬する光の位相を変えることができ、結果的に、レーザ光の出射方向４４をＸ軸方向にシフトさせる。

第１の実施の形態等のヒータ３８Ａ、３８Ｂに白金等の希少金属を使用した場合、製品の製造コストが嵩むが、本実施の形態では、リソグラフィーによって容易かつ安価に形成できるＰＮ接合によるので、第１の実施の形態よりも製品の製造コストを抑制することが可能になる。

本実施の形態では、Ｎ型拡散領域１３２Ａ及びＰ型拡散領域１３２Ｂを共にＰ型半導体、又はＮ型半導体で構成し、ＰＰ接合又はＮＮ接合で導波路１３２を形成してもよい。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能であることはいうまでもない。

１０光偏向素子
３２導波路
３８Ａ、３８Ｂヒータ
４０、４０Ａ、４０Ｂ回折格子
４０Ｃ反射回折格子
４２半導体薄膜
４４出射方向
１３０位相変調器
１３２導波路
１３２ＡＮ型拡散領域
１３２ＢＰ型拡散領域
１３８ＡＮ電極
１３８ＢＰ電極
１７２Ａ、１７２Ｂ電極
１７４、１７６アルミビア
１７８導波路
１８０方向性結合器
Ｉ電流

Claims

レーザ光源から出力されたレーザ光を複数の光路に分配する分配器と、
不純物半導体で構成され、レーザ光を前記光路に導く導波路と、
通電により前記光路を通過するレーザ光の位相を変化させる移相器と、
前記分配器で複数の光路に分配されたレーザ光を散乱させて出射すると共に、通電により屈折率が変更可能な回折格子と、
前記導波路の前記分配器側にビアを介して電気的に接続された第１電極と、
前記回折格子のレーザ光が入射する側の端部とは反対側の端部を越えて延伸された前記導波路の前記反対側の端部に、ビアを介して電気的に接続された第２電極と、
を備え、
前記第１電極及び前記第２電極を介した前記導波路及び前記回折格子への通電により、前記導波路及び前記回折格子の各々の屈折率を変化させる光偏向素子。
前記回折格子は、導電性を有する不純物半導体の薄膜の上に、前記薄膜と同じ不純物半導体で構成され、前記薄膜への通電で前記薄膜と共に発熱することにより、前記屈折率を変更する請求項１に記載の光偏向素子。
前記第１電極及び前記第２電極から通電された電流が前記導波路及び前記薄膜を介して前記回折格子に供給される請求項２に記載の光偏向素子。
前記移相器は、前記導波路を加熱するヒータを含む請求項１～３のいずれか１項に記載の光偏向素子。
前記回折格子の上層に、前記回折格子より屈折率が高く、かつ、前記回折格子に対応するピッチを有する他の回折格子を備えた請求項１～４のいずれか１項に記載の光偏向素子。
前記回折格子の下層に、前記回折格子より屈折率が高く、かつ、前記回折格子に対応するピッチを有する他の回折格子を備えた請求項１～４のいずれか１項に記載の光偏向素子。