JP7274608B2 - 光走査素子 - Google Patents

Description

本発明は、光走査素子に関する。

マルチメディアやデジタルサイネージの進展により、高精細、高画質、大画面のディスプレイやプロジェクタの需要が高くなっており、レーザー光を広角に走査する光走査素子の開発が活発化している。近年、光走査素子は、レーザーレーダー、レーザースキャナー、ＬＩＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）として使用できることから、自動車の自動運転制御用、あるいは、ロボットまたはドローンの位置制御用の障害物検知システム、測距システムへの適用が検討されている。光走査素子の一例として、シリコンフォトニック結晶導波路に放射機構を設けた光偏向器が提案されている（特許文献１～４）。しかし、このような光偏向器は、波長ごとに偏向角度を変えたり、素子を加熱することで偏向角度を変えたりする構成であり、上記のような用途で使用する場合には、走査角度が十分ではない。また、波長ごとに偏向角が変化するタイプは波長の異なる複数の光源を必要とするといった問題があり、加熱するタイプは応答が遅いといった問題がある。

ＷＯ２０１７／１２６３８６ ＷＯ２０１８／００３８５２ ＷＯ２０１８／１８６４７１ 特許４２０８７５４

本発明の主たる目的は、走査角度が大きく、応答が早く、かつ、小型化可能な光走査素子を提供することにある。

本発明の実施形態による光走査素子は、電気光学結晶基板に周期的に空孔が形成されてなるフォトニック結晶層と；該フォトニック結晶層において形成されている線欠陥の光導波路と；該光導波路の上部、左側面部および右側面部から選択される少なくとも1つの部分に設けられた回折格子と；該光導波路の左側および右側に設けられた電極と；を有する。該光走査素子は、該光導波路の上面から出射する光の出射角が変化するよう構成されている。
１つの実施形態においては、上記光走査素子は、上記電気光学結晶基板の下部に設けられ、該電気光学結晶基板を支持する支持基板と；該電気光学結晶基板と該支持基板とを一体化する接合部と；該電気光学結晶基板の下面と該支持基板の上面と該接合部とにより規定される空洞と；をさらに有する。
１つの実施形態においては、上記光走査素子は、上記フォトニック結晶層の上面に設けられたクラッド層をさらに有し、該クラッド層の上面の上記光導波路に対応する部分に上記回折格子が設けられている。
１つの実施形態においては、上記回折格子は、上記光導波路の導波方向に対して実質的に直交する方向に延びる複数のグレーティング溝を有する。
１つの実施形態においては、上記光導波路の長さは５ｍｍ以下である。
１つの実施形態においては、上記電気光学結晶基板は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、チタン酸リン酸カリウム、ニオブ酸カリウム・リチウム、ニオブ酸カリウム、タンタル酸・ニオブ酸カリウム、および、ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムとの固溶体からなる群から選択される１つで構成されている。
１つの実施形態においては、上記電極は、光に対して透明であり、上記空孔と重なるように上記フォトニック結晶層の上部に設けられている。

本発明の実施形態によれば、光走査素子において、電気光学結晶基板に周期的に空孔が形成されてなるフォトニック結晶層と所定の回折格子とを組み合わせて用いることにより、走査角度が大きく、応答が早く、かつ、小型化可能な光走査素子を実現することができる。

本発明の１つの実施形態による光走査素子の概略斜視図である。 図１の光走査素子の概略断面図である。 本発明の別の実施形態による光走査素子の概略断面図である。 本発明の実施形態による光走査素子に用いられ得る回折格子における光の伝搬および出射（放射）を説明する概略断面図である。 本発明の実施形態による光走査素子から出射される出射光ビームの広がり方を説明する概略斜視図である。 本発明の実施形態による光走査素子を用いて対象面を走査する方法を説明するための概念図である。 図７（ａ）～図７（ｄ）は、本発明の実施形態による光走査素子の製造方法の一例を説明する概略断面図である。 等価屈折率差の波長依存性を示すグラフである。 異なる波長における等価屈折率差と印加電圧（電界）との関係を示すグラフである。 印加電圧と出射角との関係を示すグラフである。 本発明のさらに別の実施形態による光走査素子の概略斜視図である。 図１１の光走査素子の概略断面図である。

以下、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれらの実施形態には限定されない。なお、本明細書において「左側」または「右側」とは、光導波路の導波方向（光導波路における光の進行方向）に対して左側または右側を意味する。

Ａ．光走査素子の全体構成および動作
Ａ－１．全体構成
図１は、本発明の１つの実施形態による光走査素子の概略斜視図であり；図２は、図１の光走査素子の概略断面図である。図示例の光走査素子１００は、電気光学結晶基板に周期的に空孔１２が形成されてなるフォトニック結晶層１０と；フォトニック結晶層１０において空孔１２が形成されていない部分として規定される（すなわち、フォトニック結晶層に形成された線欠陥の）光導波路１６と；光導波路１６の上部、および／または左側面部および／または右側面部に設けられた回折格子５０と；光導波路１６の左側および右側に設けられた電極４０、４０と；を有する。光走査素子１００は、１つの実施形態においては図示例のように、電気光学結晶基板（フォトニック結晶層）１０の下部に設けられ、電気光学結晶基板（フォトニック結晶層）１０を支持する支持基板３０と；電気光学結晶基板（フォトニック結晶層）１０と支持基板３０とを一体化する接合部２０と；電気光学結晶基板（フォトニック結晶層）１０の下面と支持基板３０の上面と接合部２０とにより規定される空洞８０と；をさらに有していてもよい。光走査素子１００は、電極間４０、４０に印加された電圧により、光導波路１６の上面から出射する光の出射角が変化するよう構成されている。

回折格子５０としては、光導波路１６の上面から光を出射し得る限りにおいて任意の適切な構成が採用され得る。例えば、回折格子は、平面型であってもよく、凹凸型であってもよく、ホログラフを利用するものであってもよい。平面型は、例えば屈折率差により回折格子のパターンが形成され；凹凸型は、例えば溝またはスリットにより回折格子のパターンが形成される。回折格子のパターンとしては、代表的には、ストライプ、格子、ドット、特定形状（例えば、星形）が挙げられる。ストライプの方向およびピッチ、ドットの配置パターン等は、目的に応じて適切に設定され得る。１つの実施形態においては、回折格子５０は、光導波路１６の導波方向に対して実質的に直交する方向に延びる複数のグレーティング溝を有する。すなわち、回折格子は、１つの実施形態においては、光導波路の導波方向に対して実質的に直交するストライプパターンを有する。

回折格子５０は、光導波路１６の導波方向全体にわたって形成されてもよく、光導波路１６の導波方向に沿った所定の領域に形成されてもよい。当該所定の領域は、１つであってもよく、複数であってもよい。光導波路の長さに対する回折格子の長さの割合は、好ましくは１０％～９０％であり、より好ましくは２０％～８０％である。長さの割合がこのような範囲であれば、光導波路の回折格子が設けられていない部分において光の横モード形状を安定にすることができ、回折格子領域における回折効果により光を上面から良好に出射させることができる。また、良好な対称性を有する回折光パターンを実現することができ、強度分布がスムーズでリップルの無い出射光が得られ得る。なお、光導波路の長さ方向における回折格子の形成位置は、目的に応じて適切に設定され得る。回折格子の形成位置は、例えば、光走査素子が接続される回路やボンディングに応じて決めることができる。

回折格子５０は、好ましくは、光導波路の直上のみに設けられ得る（回折格子は、電気光学結晶基板に形成されてもよく、電気光学結晶基板とは別に形成されてもよく、その両方であってもよい）。このような構成であれば、回折格子と導波光とが効果的に相互作用することができ、結果として、非常に優れた回折効率を実現することができる。

電極４０、４０は、光導波路１６の性能に悪影響を与えない限りにおいて、光導波路１６の左側および右側の任意の位置に設けられ得る。電極４０、４０は、代表的には、フォトニック結晶層（電気光学結晶基板）１０の左側端部および右側端部の上面に設けられている。

図３は、本発明の別の実施形態による光走査素子の概略断面図である。図示例の光走査素子１０１は、フォトニック結晶層１０の上面に設けられたクラッド層６０をさらに有する。本実施形態においては、回折格子５０は、クラッド層６０の上面の光導波路１６に対応する部分に設けられ；電極４０、４０は、フォトニック結晶層（電気光学結晶基板）１０の左側端部および右側端部に形成されたクラッド層６０の上面に設けられている。クラッド層６０は、電極４０と電気光学結晶（フォトニック結晶層）１０との間のみ、あるいは、光導波路１６の直上のみに形成されていてもよい。

図１１は、本発明のさらに別の実施形態による光走査素子の概略斜視図であり；図１２は、図１１の光走査素子の概略断面図である。図示例の光走査素子１０２において、電極４１は、光に対して透明であり、空孔１２と重なるようにフォトニック結晶層（電気光学結晶基板）１０の上部に設けられている。電極４１、４１は、代表的には、回折格子５０を挟むように、フォトニック結晶層１０（電気光学結晶基板）の上面に設けられる。

本明細書において「光走査素子」は、少なくとも１つの光走査素子が形成されたウェハ（光走査素子ウェハ）および当該光走査素子ウェハを切断して得られるチップの両方を包含する。

まず、光走査素子の動作について説明し、光走査素子の各構成要素および製造方法の具体的な構成についてはＢ項～Ｉ項で後述する。

Ａ－２．動作
光走査素子の動作時には、光導波路１６の入射面から光を入射させる。ここで、入射する光について説明する。入射光は、ＬｉＤＡＲ用で使用する単一波長で発信するレーザー光を用いることができる。レーザー光は、縦モードが多モードであってもよく、シングルモードであってもよく、横モードが多モードであってもよく、シングルモードであってもよい。好ましくは、レーザー光は、縦モードおよび横モードのいずれもがシングルモードである。このような構成であれば、レーザー光の拡がりを抑制でき空間分解能を向上させることができる。入射した光は、光導波路１６内を伝搬しながら、回折格子５０の作用により、回折光が素子の上面から出射される。図４を参照してより詳細に説明する。図４は、回折格子における光の伝搬および出射（放射）を説明する概略断面図である。回折格子は、１つの実施形態においては、上記のとおり、光導波路１６の導波方向に対して実質的に直交する方向に延びる複数のグレーティング溝を有する。図示例の回折格子は、平面視において導波路方向に直交する方向のグレーティングパターンであり；導波路方向に沿った断面においては、例えば、幅Λ／２の凸部と幅Λ／２のスリットが交互に形成されている。スリット部分において、回折格子下部の光導波路は露出している。凸部およびスリットの繰り返し単位の幅Λが回折格子の周期（ピッチ）として定義される。凸部の幅とスリットの幅の比は、特に限定はなく、１／９から９／１の範囲であることが好ましい。光導波路１６に入射した光は、例えば、導波方向に伝搬定数βoで伝搬する。周期Λの回折格子においては、下記式（１）の位相条件を満足する伝搬定数の光が伝搬する。
βｑ＝βｏ＋ｑＫ（ｑ＝０、±１、±２、・・・） ・・・（ １ ）
ここで、βｏは回折格子がない場合の光導波路中の導波モードの伝搬定数であり、Ｋは下記式で表される。
Ｋ＝２π／Λ
下記式を満たす次数ｑがある場合、光導波路の上側と下側の両方に光が出射（放射）され得る。
｜βｑ｜＜ｎａ・ｋ または ｜βｑ｜＜ｎｓ・ｋ
ここで、ｎａおよびｎｓはそれぞれ、光導波路の上部のクラッドおよび下部のクラッドの屈折率を示す。また、ｋは波数を示す。なお、後述するとおり、光走査素子においては、空洞８０が下部クラッドとして機能し、素子の上部の外環境（空気部分）が上部クラッドとして機能するので、ｎａおよびｎｓはそれぞれ１であり得る。

基準面に対する出射角θａおよびθｓは、それぞれ下記式（２）で決定され得る。なお、基準面は、光導波路１６の導波方向を法線とする面とする（この基準面は、フォトニック結晶層１０の法線も含んでいる）。
ｎａ・ｋ・ｓｉｎθａ＝ｎｓ・ｋ・ｓｉｎθｓ＝βｑ ・・・（２）
さらに、式（１）は下記式（３）として表すことができる。ここで、式（３）が実際に成立する条件は、ｑ≦－１の場合である。したがって、一次回折光は、ｑ＝－１のときに算出される出射角θａおよびθｓで光導波路外部に出射され得る。

式（３）から明らかなように、出射角θａおよびθｓは、ｎ_ｗｇおよび入射光の波長λに応じて変化し得る。ここで、ｎ_ｗｇは、フォトニック結晶中の空孔を１列分除去したことにより形成した光導波路（線欠陥の光導波路）を伝搬する光の等価屈折率に相当する。本発明の実施形態によれば、電気光学結晶基板にフォトニック結晶（フォトニック結晶層）を形成することにより、フォトニックバンドの長波長側で等価屈折率が非常に大きくなり、かつ、電圧印加により当該等価屈折率が大きく変化する。その結果、印加電圧（により形成される電界）を変化させることにより、式（３）におけるｎ_ｗｇを大きく変化させることができ、したがって出射角θａを大きく変化させることができる。言い換えれば、印加電圧を変化させることにより、出射角θａを広範囲に、かつ、所望の角度に可変することができる。さらに、電気光学結晶基板によるフォトニック結晶は、半導体（例えば、単結晶シリコン）によるフォトニック結晶に対して以下の利点を有する。半導体から形成したフォトニック結晶によれば、電気光学効果が小さいので電圧印加をしても屈折率はほとんど変化しない。したがって、このようなフォトニック結晶を利用する光走査素子において出射角を変化させようとする場合には、入射光の波長を変化させる、あるいは、加熱して屈折率を変化させる必要がある。その結果、波長を変化させる場合には、波長の異なる複数の光源または多波長光源が必要となり、コストが増大し、設計上の制約も大きくなる。さらに、光源の波長を連続的に変化させることは困難であるので、出射角を連続的に変化させることも困難であり、光源の波長によっては所望の出射角が実現できない場合がある。また、加熱による場合には、フォトニック結晶部分の温度分布を均一にすること、および、応答を高速にすることは難しく、環境温度が変化した場合の温度制御はセンサを含めた外部回路も必要になり、コスト増大が課題となる。さらに、温度変化による等価屈折率の変化は比較的に小さく、現状、５０°を越える出射角の変化は報告されていない。これに対し、本発明の実施形態によれば、電極に印加する電圧を変化させるだけでよく、かつ、電圧は連続的に変化させることができるので、低コストで、設計上の制約も小さく、出射角を広範囲に、かつ、所望の角度に可変し得る光走査素子を実現することができる。

図５は、光走査素子から出射される出射光ビームの広がり方を説明する概略斜視図である。図５に示すように、上記のメカニズムで光走査素子（実質的には、光導波路）から出射される出射光ビーム（レーザー光）は、平面視ライン状（光導波路方向に直交する方向のライン状）かつ光導波路方向から見ると扇状のいわゆるファンビームとなる。扇の角度（ファンビームの拡がり角度）は、好ましくは１０°以上であり、より好ましくは２５°以上であり、さらに好ましくは５０°以上である。ファンビームの拡がり角度は、例えば１２０°以下であり得る。ファンビームの拡がり角度は、光導波路の幅を調整することにより制御することができる。つまり、ニアフィールド（近傍界）とファーフィールド（遠方界）の関係と同様に、光導波路の幅を狭くすると拡がりが大きくなるので拡がり角度を大きくすることができる。また、光導波路の幅を広くすると逆に広がり角度を狭くすることができる。拡がり角度がこのような範囲であれば、出射角が広範囲で可変である効果との相乗的な効果により、きわめてすぐれた走査効率を有する光走査素子が実現され得る。特に、ＬｉＤＡＲ用としては、水平方向で１００°以上、垂直方向で２５°以上の画角が要求されており、この要求を満足させるためにファンビームの拡がり角度（垂直方向）は上記のように設定され得る。また、出射角については、好ましくは±４０°以上の範囲で可変であり、より好ましくは±６０°以上の範囲で可変である。出射角は、例えば±７０°以下であり得る。上記のとおり、本発明の実施形態によれば、従来の光走査素子に比べて格段に広範囲で出射角を変化させることができる。なお、本明細書において出射角の符号「＋」は上記の基準面に対して出力側を意味し、「－」は基準面に対して入力側を意味する。

次に、光走査素子の使用方法の一例を説明する。図６は、光走査素子を用いて対象面を走査する方法を説明するための概念図である。上記のとおり、本発明の実施形態による光走査素子は、印加電圧を変化させることにより、光走査素子に対する法線を含み光導波路方向に直交する面（基準面）に対して非常に広範囲の出射角で、光導波路方向に直交する方向に広がる光（ファンビーム）を取り出すことができる。したがって、光走査素子１００または１０１の光導波路方向を水平方向Ｘに一致させると、垂直方向Ｙに広がるファンビームを取り出すことができる。このファンビームを、被測定面（対象面）１２３において図示例では対象面の列１２３ａのうち一番手前の列に投射すると、この列からの反射光をレンズ１２４で集光し、受光素子１２５の受光素子アレイ１２５Ｂによって受光することができる。次に、本発明の実施形態による光走査素子によれば、印加電圧を変化させることにより、ファンビームの出射角を水平方向Ｘに沿って大きく変化させることができる。その結果、所定の角度で出射角を変化させることにより、ファンビームを次の列（投射した列の隣の列）に投射することができる。したがって、光走査素子を水平方向Ｘに沿って移動させることなく対象面１２３のすべてを走査することができる。その結果、従来よりも走査にかかる時間とコストを顕著に低減することができ、かつ、受光素子アレイのコストを顕著に低減することができる。なお、受光素子は、例えば、２次元配列したフォトダイオード、２次元配列したフォトダイオード、ＣＭＯＳカメラ、ＣＣＤであり得る。

Ｂ．フォトニック結晶層
Ｂ－１．電気光学結晶基板
電気光学結晶基板１０は、外部に露出する上面と、複合基板内に位置する下面と、を有する。電気光学結晶基板１０は、電気光学効果を有する材料の結晶で構成されている。具体的には、電気光学結晶基板１０は、電圧（電界）が印加されると屈折率が変化し得る。このことにより、光走査素子において、半導体材料（例えば、単結晶シリコン）を用いる場合に比べて以下の利点が得られ得る：半導体材料を用いた光走査素子においては、フォトニック結晶による等価屈折率の波長依存性の増大効果を利用する。あるいは、等価屈折率の温度依存性の増大効果を利用する。しかし、前者の場合は、フォトニック結晶により波長依存性が増大し波長毎に異なる角度でファンビームが出射するので、複数波長の光源が必要になる、受光側で複数の波長に対して個別認識して信号処理することから処理が複雑になる、といった問題が生じ得る。後者の場合、フォトニック結晶部分を加熱・冷却し所望の温度に設定し、かつ面内分布を均一にするためは、ある程度の時間が必要となり、応答速度を高速化することは難しい。また、環境温度が変化した場合の温度制御はセンサを含めた外部回路も必要になり、コスト増大も課題となる。さらに温度変化による等価屈折率の変化は比較的に小さい。これに対し、電気光学結晶基板を用いた場合は、上記のとおり電圧（電界）の印加により等価屈折率を変化させることができる。フォトニック結晶中に設けた光導波路を伝搬する光の等価屈折率差を図８に示す。図８では、電気光学結晶としてニオブ酸リチウムを用い、空孔周期４２５ｎｍ、空孔径（半径）１４４．５ｎｍとした場合の計算結果を示している。図８に示すように、等価屈折率差は、フォトニックバンド内における長波長側で大きくなる。ここで、長波長側とは、フォトニックバンドの中心波長よりも長波長側、あるいは、フォトニックバンド閉じ込めモードの波長よりも長波長側であることを意味する。また、この領域においては、等価屈折率差の波長依存性も大きくなる。電圧を印加した場合には、電気光学効果による屈折率変化を伴って等価屈折率差も増大し得る。なお、図８における等価屈折率差ΔＮ_ｅｆｆは下記式で表される。ここで、Ｎ_ｅｆｆ（０）は電圧無印加時の等価屈折率であり、Ｎ_ｅｆｆ（Ｖ）は電圧印加時の等価屈折率である。
ΔＮ_ｅｆｆ＝Ｎ_ｅｆｆ（Ｖ）－Ｎ_ｅｆｆ（０）
図９は、図８の計算結果から特定波長における印加電界と等価屈折率差との関係を示すグラフである。図９に示すように、波長λが短い領域においては、等価屈折率差はフォトニック結晶を形成しない光導波路型回折デバイスと同様に電界による変化は非常に小さい。一方、波長λが長いフォトニックバンド端領域においては、電界による等価屈折率差の変化が大きくなり得る。これにより、電気光学結晶基板を利用したフォトニック結晶は、電圧印加によって等価屈折率差を大きくする（等価屈折率を大きく変化させる）ことが可能であり、この変化に対応して回折光として出射角を大きく変化させることが可能となる。

１つの実施形態においては、電気光学結晶基板１０のｃ軸は、電気光学結晶基板１０に平行であり得る。すなわち、電気光学結晶基板１０は、Ｘカットの基板であってもよくＹカットの基板であってもよい。別の実施形態においては、電気光学結晶基板１０のｃ軸は、電気光学結晶基板１０に垂直であり得る。すなわち、電気光学結晶基板１０は、Ｚカットの基板であってもよい。電気光学結晶基板１０の厚みは、使用する電磁波の周波数や波長に応じて任意の適切な厚みに設定され得る。電気光学結晶基板１０の厚みは、例えば０．１μｍ～１０μｍ、また例えば０．１μｍ～３μｍであり得る。代表的には上記のとおり、光走査素子において電気光学結晶基板は支持基板と一体化されて、支持基板により補強されているので、電気光学結晶基板の厚みを薄くすることができる。その結果、光走査素子に好適な波長の光を光導波路でシングルモード伝搬させることができ、および／または、回折格子との結合効率を容易に向上させることができる。

電気光学結晶基板１０を構成する材料としては、本発明の実施形態による効果が得られる限りにおいて任意の適切な材料が用いられ得る。そのような材料としては、代表的には、誘電体（例えば、セラミック）が挙げられる。具体例としては、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３：ＬＮ）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３：ＬＴ）、チタン酸リン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ_４：ＫＴＰ）、ニオブ酸カリウム・リチウム（Ｋ_ｘＬｉ_{（１－ｘ）}ＮｂＯ_２：ＫＬＭ）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３：ＫＮ）、タンタル酸・ニオブ酸カリウム（ＫＮｂ_ｘＴａ_{（１－ｘ）}Ｏ_３：ＫＴＮ）、ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムとの固溶体が挙げられる。なお、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムを使用する場合には、光損傷を抑制するためにＭｇＯをドープしたもの、あるいはストイキオ組成の結晶を用いることができる。

Ｂ－２．フォトニック結晶層
フォトニック結晶層１０は、上記のとおり、電気光学結晶基板に周期的に空孔１２が形成されてなる。フォトニック結晶層を構成するフォトニック結晶とは、屈折率の大きい媒質と小さい媒質を光の波長と同程度の周期で構成した多次元周期構造体であり、電子のバンド構造に似た光のバンド構造を有する。したがって、周期構造を適切に設計することにより、所定の光の禁制帯（フォトニックバンドギャップ）を発現させることができる。禁制帯を有するフォトニック結晶は、所定の波長の光に対して光の反射も透過も起こらない物体として機能する。フォトニックバンドギャップを有するフォトニック結晶に、周期性を乱す線欠陥を導入すると、バンドギャップの周波数領域内に導波モードが形成され、低損失で光を伝搬する光導波路を実現できる。

図示例のフォトニック結晶は、いわゆるスラブ型２次元フォトニック結晶である。スラブ型２次元フォトニック結晶とは、誘電体（本発明の実施形態においては、電気光学結晶）の薄板スラブに、薄板スラブを構成する材料の屈折率よりも低い屈折率の円柱状または多角柱状の低屈折率柱を目的および所望のフォトニックバンドギャップに応じた適切な２次元周期間隔で設け、さらに薄板スラブの上下を薄板スラブよりも低い屈折率を有する上部クラッドと下部クラッドとで挟んだフォトニック結晶のことである。図示例においては、空孔１２が低屈折率柱として機能し、電気光学結晶基板１０の空孔１２、１２間の部分１４が高屈折率部として機能し、空洞８０が下部クラッドとして機能し、光走査素子１００の上部の外環境（空気部分）が上部クラッドとして機能する。電気光学結晶基板１０において空孔１２の周期パターンが形成されていない部分が線欠陥となり、当該線欠陥部分が光導波路１６を構成する。

空孔１２は、上記のとおり周期的なパターンとして形成され得る。空孔１２は、代表的には、規則的な格子を形成するように配列されている。格子の形態としては、所定のフォトニックバンドギャップを実現し得る限りにおいて、任意の適切な形態が採用され得る。代表例としては、三角格子、正方形格子が挙げられる。空孔１２は、１つの実施形態においては、貫通孔であり得る。貫通孔は形成が容易であり、結果として、屈折率の調整が容易である。空孔（貫通孔）の平面視形状としては、任意の適切な形状が採用され得る。具体例としては、等辺多角形（例えば、正三角形、正方形、正五角形、正六角形、正八角形）、略円形、楕円形が挙げられる。略円形が好ましい。略円形は、長径／短径比が好ましくは０．９０～１．１０であり、より好ましくは０．９５～１．０５である。なお、貫通孔１２は、上記のとおり、低屈折率柱（低屈折材料で構成される柱状部分）であってもよい。ただし、貫通孔のほうが形成容易であり、かつ、貫通孔は最も屈折率の低い空気で構成されるので光導波路との屈折率差を大きくすることができる。また、空孔径は部分的に他の空孔径と異なっていてもよいし、空孔周期についても部分的に他の空孔周期と異なっていてもよい。また、空孔の周期Ｐと空孔の半径ｄ／２の関係は、ｄ／（２Ｐ）が好ましくは０．２以上０．４８以下であり、より好ましくは０．２５以上０．４以下であり、さらに好ましくは０．３以上０．３４以下である。このような範囲であれば、電圧印加による等価屈折率差を大きくすることができる。

空孔の格子パターンは、目的および所望のフォトニックバンドギャップに応じて適切に設定され得る。図示例においては、直径ｄの空孔が周期Ｐで正方形格子を形成している。図示例では正方形格子が形成されているが、空孔の直径および周期等を適切に設定することにより、三角格子でも同様の動作、機能および効果が得られ得る。当該正方形格子パターンは、フォトニック結晶素子の両側に形成され、格子パターンが形成されない中央部に光導波路１６が形成されている。光導波路１６の長さは、好ましくは５ｍｍ以下であり、より好ましくは０．１ｍｍ～３ｍｍである。本発明の実施形態によれば、電気光学結晶で構成されるフォトニック結晶層と所定の回折格子とを組み合わせることにより、光導波路の長さを非常に短くすることができる。その結果、光走査素子の小型化が可能となる。光導波路１６の幅は、空孔周期Ｐに対して例えば１．０１Ｐ～３Ｐ（図示例では２Ｐ）であり得る。光導波路方向の空孔の列（以下、格子列と称する場合がある）の数は、光導波路のそれぞれの側において３列～１０列（図示例では４列）であり得る。空孔周期Ｐは、例えば以下の関係を満足し得る。
（１／７）×（λ／ｎ）≦Ｐ≦１．４×（λ／ｎ）
ここで、λは光導波路に導入される光の波長（ｎｍ）であり、ｎは電気光学結晶基板の屈折率である。空孔周期Ｐは、具体的には０．１μｍ～１μｍであり得る。１つの実施形態においては、空孔周期Ｐは、フォトニック結晶層（電気光学結晶基板）の厚みと同等であり得る。空孔の直径ｄは、空孔周期Ｐに対して例えば例えば０．１Ｐ～０．９Ｐであり得る。空孔の直径ｄ、空孔周期Ｐ、格子列の数、１つの格子列における空孔の数、フォトニック結晶層の厚み、電気光学結晶基板の構成材料（実質的には、屈折率）、線欠陥部分の幅、後述する空洞の幅および高さ等を適切に組み合わせて調整することにより、所望のフォトニックバンドギャップが得られ得る。さらに、光波以外の電磁波に対しても同様の効果が得られ得る。電磁波の具体例としては、ミリ波、マイクロ波、テラヘルツ波が挙げられる。

１つの実施形態においては、フォトニック結晶層（電気光学結晶基板）１０には、エッチング用貫通孔（図示せず）が形成され得る。エッチング用貫通孔を形成することにより、エッチング液をエッチングすべき領域全体に良好に行き渡らせることができる。その結果、所望の空洞をより精密に形成することができる。エッチング用貫通孔の数は、目的に応じて適切に設定され得る。具体的には、単一のエッチング用貫通孔が形成されてもよく、複数（例えば、２つ、３つ、または４つ）のエッチング用貫通孔が形成されてもよい。エッチング用貫通孔は、例えば、光導波路から格子列を３列以上離れた位置に形成される。このような構成であれば、フォトニックバンドギャップに対する悪影響を与えることなく、エッチング液をエッチングすべき領域全体に良好に行き渡らせることができる。エッチング用貫通孔は、また例えば、格子パターンの光導波路と反対側の端部の入力部側および／または出力部側（すなわち、フォトニック結晶層の隅部）に形成され得る。このような構成であれば、フォトニックバンドギャップに対する悪影響をさらに良好に防止することができる。例えばエッチング用貫通孔が４つ形成される場合には、それらはフォトニック結晶層の４隅に形成され得る。エッチング用貫通孔のサイズは、代表的には、空孔１２のサイズよりも大きい。例えば、エッチング用貫通孔の直径は、空孔の直径ｄに対して好ましくは５倍以上であり、より好ましくは５０倍以上であり、さらに好ましくは１００倍以上である。一方、エッチング用貫通孔の直径は、空孔の直径ｄに対して好ましくは１０００倍以下である。エッチング用貫通孔の直径が小さすぎると、エッチング液がエッチングすべき領域全体に良好に行き渡らない場合がある。エッチング用貫通孔の直径が大きすぎると、素子サイズを所望サイズより大きくしなければならない場合があり、また、機械的な強度が低下する場合がある。

Ｃ．接合部
接合部２０は、電気光学結晶基板１０と支持基板３０との間に介在し、これらを一体化する。接合部２０は、代表的には図２および図３に示すように、上層２１と下層２２とが直接接合されることにより、電気光学結晶基板１０と支持基板３０とを一体化する。直接接合により電気光学結晶基板１０と支持基板３０とを一体化することにより、光走査素子における剥離を良好に抑制することができ、結果として、このような剥離に起因する電気光学結晶基板の損傷（例えば、クラック）を良好に抑制することができる。接合部２０は、空孔１２および空洞８０を形成する際のエッチングの残りの部分として構成される。上層２１と下層２２との接合界面には代表的にはアモルファス層２３が形成されている。アモルファス層２３は、上層２１と下層２２との直接接合により接合界面に形成された層である。アモルファス層は名称のとおりアモルファス構造を有しており、上層２１を構成する元素と下層２２を構成する元素とで構成されている。このように、上層２１と下層２２とを直接接合することにより、上層２１と下層２２との接合界面にアモルファス層２３が形成され得る。すなわち、上層２１と下層２２とを直接接合することにより、電気光学結晶基板と支持基板との直接接合を回避することができ、したがって、電気光学結晶基板にアモルファス層が形成されることを防止することができる。その結果、電気光学結晶基板の光学特性の低下または光学損失を抑制することができる。

本明細書において「直接接合」とは、接着剤を介在させることなく２つの層または基板（図示例では上層２１と下層２２）が接合していることを意味する。直接接合の形態は、互いに接合される層または基板の構成に応じて適切に設定され得る。例えば、直接接合は、以下の手順で実現され得る。高真空チャンバー内（例えば、１×１０^－６Ｐａ程度）において、接合される構成要素（層または基板）のそれぞれの接合面に中性化ビームを照射する。これより、各接合面が活性化される。次いで、真空雰囲気で、活性化された接合面同士を接触させ、常温で接合する。この接合時の荷重は、例えば１００Ｎ～２００００Ｎであり得る。１つの実施形態においては、中性化ビームによる表面活性化を行う際には、チャンバーに不活性ガスを導入し、チャンバー内に配置した電極へ直流電源から高電圧を印加する。このような構成であれば、電極（正極）とチャンバー（負極）との間に生じる電界により電子が運動して、不活性ガスによる原子とイオンのビームが生成される。グリッドに達したビームのうち、イオンビームはグリッドで中和されるので、中性原子のビームが高速原子ビーム源から出射される。ビームを構成する原子種は、好ましくは不活性ガス元素（例えば、アルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ））である。ビーム照射による活性化時の電圧は例えば０．５ｋＶ～２．０ｋＶであり、電流は例えば５０ｍＡ～２００ｍＡである。なお、直接接合の方法は、これに限定されることはなく、ＦＡＢ（Ｆａｓｔ Ａｔｏｍ Ｂｅａｍ）やイオンガンによる表面活性化法、原子拡散法、プラズマ接合法等も適用できる。

上層２１および下層２２はそれぞれ、目的、フォトニック結晶層の所望の構成、光走査素子の製造方法（実質的には、エッチングプロセス）に応じて任意の適切な構成が採用され得る。具体的には、上層２１および下層２２はそれぞれ、単一層であってもよく、積層構造を有していてもよい。上層および下層の構成材料（上層および下層の少なくとも１つが積層構造を有する場合には、それぞれの層の構成材料）もまた、目的、フォトニック結晶層の所望の構成、エッチングプロセスに応じて適切に選択され得る。

Ｄ．空洞
空洞８０は、上記のとおり上層２１および下層２２（ならびに、必然的にアモルファス層）をエッチングにより除去することにより形成され、下部クラッドとして機能し得る。空洞の幅は、好ましくは光導波路の幅より大きい。例えば、空洞８０は、光導波路１６から３列目の格子列まで延びていてもよい。図示例では、空洞８０は、光導波路１６から３列目の格子列まで延びている。光は光導波路内を伝搬するだけでなく、光エネルギーの一部が光導波路近傍の格子列まで拡散する場合があるので、そのような格子列の直下に空洞を設けることにより、光漏れによる伝搬損失を抑制することができる。この観点から、空洞は空孔形成部の全域にわたって形成されていてもよい。空洞の高さは、好ましくは０．１μｍ以上であり、より好ましくは伝搬する光の波長の１／５以上である。このような高さであれば、薄板スラブがフォトニック結晶として機能し、より波長選択性が高く、低損失な光導波路が実現できる。空洞の高さは、上層２１および下層２２の厚みを調整することにより制御できる。

Ｅ．支持基板
支持基板３０は、複合基板内に位置する上面と、外部に露出する下面と、を有する。支持基板３０は、複合基板の強度を高めるために設けられており、これにより、電気光学結晶基板の厚みを薄くすることができる。支持基板３０としては、任意の適切な構成が採用され得る。支持基板３０を構成する材料の具体例としては、シリコン（Ｓｉ）、ガラス、サイアロン（Ｓｉ_３Ｎ_４－Ａｌ_２Ｏ_３）、ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２，２Ａｌ_２Ｏ_３・３ＳｉＯ_２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、サファイア、石英、水晶、窒化ガリウム（ＧａＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）が挙げられる。なお、支持基板３０を構成する材料の線膨張係数は、電気光学結晶基板１０を構成する材料の線膨張係数に近いほど好ましい。このような構成であれば、複合基板の熱変形（代表的には、反り）を抑制することができる。好ましくは、支持基板３０を構成する材料の線膨張係数は、電気光学結晶基板１０を構成する材料の線膨張係数に対して５０％～１５０％の範囲内である。この観点から、支持基板は、電気光学結晶基板１０と同じ材料であってもよい。

Ｆ．回折格子
図示例の回折格子５０は、上記のとおり、平面視において導波路方向に直交する方向のグレーティングパターンであり；導波路方向に沿った断面においては、幅Λ／２の凸部と幅Λ／２のスリットが交互に形成されている。凸部およびスリットの周期は、好ましくは４０ｎｍ～１０００ｎｍであり、より好ましくは１００ｎｍ～８００ｎｍであり、さらに好ましくは１５０ｎｍ～６５０ｎｍである。凸部およびスリットの周期（したがって、これらの幅の１／２倍である幅）がこのような範囲であれば、所望の出射角の実現が容易となる。なお、凸部およびスリットの幅は、周期の１／２となっていなくてもよい。凸部の厚みまたはスリットの深さは、例えば１０ｎｍ～３００ｎｍであり得る。このような範囲であれば、光導波路を伝搬する光が回折格子の凹凸に起因して生じる実効屈折率差により周期的に反射し、回折効果を発現できるという利点がある。

回折格子（実質的には、凸部）は、所望の出射光が得られる限りにおいて任意の適切な材料で構成され得る。回折格子を構成する材料としては、代表的には金属酸化物が挙げられる。具体例としては、酸化タンタル、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化マグネシウム、酸化タングステン、酸化ハフニウムが挙げられる。また、回折格子は電気光学結晶基板に直接形成してもよい。

Ｇ．クラッド層
クラッド層６０は、電極による導波光の吸収を抑制すること、および／または、導波光の回折格子との結合を向上させることを目的として設けられる任意の層である。クラッド層は、任意の適切な材料で構成され得る。具体例としては、酸化シリコン、酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化マグネシウム、酸化タングステン、酸化ハフニウムが挙げられる。クラッド層は、回折格子と同じ材料で形成されていてもよい。クラッド層の厚みは、例えば０．１μｍ～１μｍであり得る。

Ｈ．電極
電極は、フォトニック結晶層１０の厚み方向（上下方向）から見て、複数の空孔１２と重ならなくてもよく、複数の空孔１２と重なってもよい。
図１に示すように、１つの実施形態では、電極４０、４０は、フォトニック結晶層１０の厚み方向に複数の空孔１２と重ならないように、フォトニック結晶層（電気光学結晶基板）１０の左側端部および右側端部に配置される。電極４０は、回折格子５０に対して、導波路の導波方向と直交する方向（左右方向）に離れて位置する。複数の空孔１２は、電極４０と回折格子５０との間に位置する。

電極４０は、任意の適切な材料で構成され得る。電極４０を構成する材料として、例えば、金属が挙げられる。すなわち、電極４０は、金属電極であり得る。金属の具体例として、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）等が挙げられる。電極４０は、単層であってもよく、二層以上の積層体であってもよい。電極４０の厚みは、代表的には１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。
導波路の導波方向と直交する方向における電極４０、４０の間の間隔は、代表的には５μｍ以上２０μｍ以下である。
なお、電極４０は、後述する電極４１と同様に、光に対して透明となるように構成することもできる。

また、図１１に示すように、１つの実施形態では、電極４１、４１は、フォトニック結晶層１０の厚み方向に複数の空孔１２の少なくとも１つと重なるように、光導波路１６の両側に配置される。図示例の実施形態では、空孔１２は、電極４１と光導波路１６との間に位置しない。この場合、光導波路１６の右側に位置する電極４１は、光導波路１６の右側に位置するすべての空孔１２とフォトニック結晶層１０の厚み方向に重なる。光導波路１６の左側に位置する電極４１は、光導波路１６の左側に位置するすべての空孔１２とフォトニック結晶層１０の厚み方向に重なる。１つの実施形態において、電極４１は、空孔１２と通じる穴４１ａを有する。

電極４１は、代表的には、光に対して透明である。より詳しくは、電極４１における波長１．０２５μｍの光の透過率は、例えば、７０％以上、好ましくは、９０％以上であり、例えば、１００％以下である。すなわち、電極４１は、透明電極であり得る。
電極が光に対して透明であると、光導波路の上面から出射する光が電極に吸収されることを抑制できる。そのため、電極が光に対して不透明である場合と比較して、電極を光導波路の近傍に配置でき、２つの電極の間の間隔を小さくすることができる。
導波路の導波方向と直交する方向における透明電極４１、４１の間の間隔は、金属電極４０、４０の間の間隔よりも小さく、代表的には６μｍ以下、好ましくは５μｍ未満、より好ましくは３μｍ以下であり、代表的には１μｍ以上である。
このように、電極を光導波路の近傍に配置して、２つの電極の間の間隔を小さくすると、電極に電圧を印加したときに、光導波路に効率よく電界を生じさせることができ得る。とりわけ、電極と光導波路との間に位置する空孔を少なくすれば、電気光学結晶基板の空孔と空孔との間の部分に電界が集中して、光導波路の電界が低下することを抑制でき得る。そのため、所望のファンビームの出射に要する光走査素子の駆動電圧の低減を図ることができる。

透明電極４１は、任意の適切な材料で構成され得る。透明電極４１を構成する材料として、例えば、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）、酸化ケイ素、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、Ｇａドープ酸化亜鉛（ＧＺＯ）、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ酸化物半導体（ＩＧＺＯ）、酸化スズなどが挙げられる。
透明電極４１は、単層であってもよく、二層以上の積層体であってもよい。透明電極４１の厚みは、代表的には、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。

Ｉ．光走査素子の製造方法
図７（ａ）～図７（ｄ）を参照して、光走査素子の製造方法の一例を簡単に説明する。図示例では、上層２１が光学損失抑制層であり、下層２２が空洞加工層である。光学損失抑制層２１は、直接接合の際に電気光学結晶基板にアモルファス層が形成されることを防止して電気光学結晶基板の光学損失を抑制するために設けられ得る。空洞加工層２２は、光走査素子において空洞を形成するとともに、エッチング（代表的には、ドライエッチング）を適切な程度で停止させるために設けられる。

まず、図７（ａ）に示すように、複合基板を作製する。複合基板の作製手順は以下のとおりである。電気光学結晶基板１０に光学損失抑制層２１を例えばスパッタリングにより形成する。一方、支持基板３０に空洞加工層２２を例えばスパッタリングにより形成する。電気光学結晶基板１０／光学損失抑制層２１の積層体と支持基板３０／空洞加工層２２の積層体とを、光学損失抑制層１および空洞加工層２２を接合面として直接接合する。直接接合により、光学損失抑制層２１と空洞加工層２２との接合界面にアモルファス層２３が形成され得る。このようにして、電気光学結晶基板１０と支持基板３０とが一体化された複合基板が得られ得る。次いで、電気光学結晶基板１０の左右端部に電極４０、４０を形成し、光導波路が形成される位置に回折格子５０を形成する。電極４０、４０は、代表的にはリフトオフにより形成され得る。回折格子５０は、所定パターン（代表的には、光導波路の導波方向に実質的に直交する方向に延びるストライプパターン）のマスクを介したドライエッチング（例えば、反応性イオンエッチング）により形成され得る。電極４０、４０は、回折格子５０の形成前に形成されてもよく、回折格子５０の形成後に形成されてもよい。

次に、図７（ｂ）に示すように、所定のマスクを介したドライエッチング（例えば、反応性イオンエッチング）により、電気光学結晶基板１０、光学損失抑制層２１およびアモルファス層２３に空孔１２を形成する。次いで、図７（ｃ）に示すように、ウェットエッチング（例えば、エッチング液への浸漬）により、空洞加工層２２の所定部分を除去する。最後に、図７（ｄ）に示すように、ウェットエッチング（例えば、エッチング液への浸漬）により、残っている光学損失抑制層２１およびアモルファス層２３を除去する。その結果、空洞８０が形成され、光走査素子が得られる。

光走査素子の作製に図示例とは異なるプロセスが採用され得ることは言うまでもない。例えば、空孔１２および空洞８０を形成した後に、電極４０、４０および回折格子５０を形成してもよい。また例えば、上層２１および下層２２をそれぞれ異なる構成としてもよい。上層２１および下層２２の代表的な変形例としては以下が挙げられる：（ｉ）光学損失抑制層および空洞加工層を単一層（光学損失抑制および空洞加工層）として光学損失抑制機能および空洞形成機能の両方を集約することができる。この場合、光学損失抑制および空洞加工層と支持基板とが直接接合され得る。（ｉｉ）光学損失抑制層および／または空洞加工層の接合面に接合層を設けてもよい。（ｉｉｉ）光学損失抑制層および／または空洞加工層の表面、あるいは、光学損失抑制および空洞加工層の表面に凹凸がある場合には、当該凹凸表面を平坦化するための層としてオーバーコート層を設けてもよい。（ｉｖ）フォトニック結晶の機能を効果的に発現するための空洞を所望の形状に、かつ簡易に形成するための層として犠牲層を設けてもよい。犠牲層は、代表的には、光走査素子における空洞に対応するパターンおよび形状に形成され得る。（ｖ）電気光学結晶基板と隣接層（例えば、光学損失抑制層）との間に剥離防止層を設けてもよい。

複合基板の全体構成、複合基板の各層の構成材料、マスク、エッチング様式等を適切に組み合わせることにより、効率的な手順で、かつ、高精度で回折格子、空孔および空洞を形成することができ、光走査素子を作製することができる。

以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例によって限定されるものではない。

＜実施例１：等価屈折率と出射角との関係の解析＞
１．等価屈折率の波長依存性および電界依存性
図１と同等のフォトニック結晶層について、光導波路を伝搬する光の等価屈折率の波長依存性および電界依存性を調べた。ここで、電気光学結晶基板としてニオブ酸リチウム結晶基板を用い、基板厚みは０．４μｍとした。さらに、空孔パターンは三角格子パターンとし、空孔周期は４２５ｎｍ、空孔の直径は２８９ｎｍとした。このような条件を用いて、ＦＤＴＤ（時間領域差分）法により、光導波路に電圧を印加した場合の光導波路の電界強度をパラメーターとして、等価屈折率差と波長との関係を計算した。結果を図８に示す。図８から明らかなように、フォトニックバンドの短波長域では等価屈折率差の波長依存性は、通常の屈折率の波長分散に従う程度に変化が小さいことがわかる。また電界依存性についても、電気光学効果（ポッケルス効果）分だけ数値が大きくなっている程度である。一方、フォトニックバンドの長波長域においては、波長依存性および電界依存性のいずれも変化量が大きくなっている。なお、図８における等価屈折率差ΔＮ_ｅｆｆは下記式で表される。ここで、Ｎ_ｅｆｆ（０）は電圧無印加時の等価屈折率であり、Ｎ_ｅｆｆ（Ｖ）は電圧印加時の等価屈折率である。
ΔＮ_ｅｆｆ＝Ｎ_ｅｆｆ（Ｖ）－Ｎ_ｅｆｆ（０）

上記１．の結果から、印加電界に対する等価屈折率差の関係を図９に示す。波長は、０．９６μｍ、１μｍ、１．０２５μｍ、１．０２６μｍとし、電界は０．１Ｖ／μｍ、１０Ｖ／μｍ、２０Ｖ／μｍ、５０Ｖ／μｍとした。図９から、等価屈折率差は、電圧（電界）に対してリニアに変化することがわかる。また、フォトニックバンド端の長波長側に近いほど電圧（電界）に依存した等価屈折率差が大きいことがわかった。波長１．０２５μｍの場合、電界２０Ｖ／μｍで等価屈折率が０．３８変化することがわかる。なお、印加電圧（電界）の上限は、電気光学結晶基板の構成材料によって変化し得る。例えばニオブ酸リチウム結晶の場合、絶縁破壊電界は２０Ｖ／μｍといわれているので、これ以下の電界で動作させる必要がある。この現象は、逆方向の電界についても同等の変化が起こるので、±２０Ｖ/μｍの電界を印加することにより、等価屈折率は０．７６まで変化する。

２．印加電圧と出射角との関係
図１の光走査素子における印加電圧と出射角（偏向角）との関係を、上記式（３）を用いて計算した。具体的には以下のとおりである。式（３）の左辺は、光導波路を伝搬する光の伝搬定数をβとすると、式（４）で表すことができる。式（４）における回折次数ｑは－１としている。
β－２π／Λ＝βＮ （４）
一方、右辺は、クラッドの屈折率を空気としてｎａ＝１とすると、式（５）で表すことができる。
２π／λ・ｓｉｎθａ＝ｋ０・ｓｉｎθａ （５）
空孔周期ｄを４２５ｎｍ、波長λを１．０２５μｍとした場合に、電圧無印加の状態において、伝搬定数βは、ＦＤＴＤの計算から０．７５×（２π／ｄ）となる。ここで、空孔周期ｄと波長λの関係は、ｄ／λ＝０．４１４であることから、式（６）の関係が得られる。
β＝１．８１ｋ０ （６）
式（６）で得た結果を式（４）に代入し、回折格子Λが５６７ｎｍの場合には２π／Λは１．８１ｋ０となるので、式（４）はβＮ＝０となる。この結果、式（４）および（５）よりθa＝０°となる。次に、電圧を印加して電界強度を－２０Ｖ／μｍとした場合、等価屈折率は－０．３８変化するので、伝搬定数βは、ＦＤＴＤの計算から０．３９×（２π／ｄ）となる。したがって、β＝０．９４ｋ０となり、上記と同様に計算すると、βＮ＝－０．８７ｋ０となり、式（４）および（５）よりθａ＝６０°となる。さらに、電圧を印加して電界強度を２０Ｖ／μｍとした場合、等価屈折率は＋０．３８変化するので、伝搬定数βは、ＦＤＴＤの計算から１．１１×（２π／ｄ）となる。したがって、β＝２．６７ｋ０となり、上記と同様に計算すると、βＮ＝０．８７ｋ０となり、式（４）および（５）よりθａ＝－６０°となる。以上の結果を図１０に示す。図１０から、印加電圧を－２０Ｖ／μｍから２０Ｖ／μｍまで変化させたときに、出射角は約－６０°から約＋６０°まで約１２０°可変できることがわかる。図９の結果を併せて考慮すると、フォトニックバンドの長波長側では等価屈折率の電界依存性が大きくなり、電界変化に対する等価屈折率の変化量を大きくできるので、出射角を広範囲に変化させることができる。

＜実施例２：光走査素子の作製＞
１．複合基板の作製
電気光学結晶基板として直径４インチのＸカットニオブ酸リチウム基板、支持基板として直径４インチのシリコン基板を用意した。まず、電気光学結晶基板上にアモルファスシリコン（ａ－Ｓｉ）をスパッタリングして、厚み２０ｎｍの光学損失抑制層を形成した。一方、支持基板上に酸化シリコンをスパッタリングして、厚み０．５μｍの空洞加工層を形成し、空洞加工層上にａ－Ｓｉをスパッタリングして、厚み２０ｎｍの接合層を形成した。次いで、光学損失抑制層および接合層の表面をそれぞれＣＭＰ研磨して、光学損失抑制層および接合層の表面の算術平均粗さＲａを０．３ｎｍ以下とした。次に、光学損失抑制層および接合層の表面を洗浄した後、光学損失抑制層および接合層を直接接合することにより電気光学結晶基板と支持基板とを一体化した。直接接合は、以下のようにして行った。１０^－６Ｐａ台の真空中で、電気光学結晶基板および支持基板の接合面（光学損失抑制層および接合層の表面）に高速Ａｒ中性原子ビーム（加速電圧１ｋＶ、Ａｒ流量６０ｓｃｃｍ）を７０秒間照射した。照射後、１０分間放置して電気光学結晶基板および支持基板を放冷したのち、電気光学結晶基板および支持基板の接合面を接触させ、４．９０ｋＮで２分間加圧して電気光学結晶基板と支持基板とを接合した。接合後、電気光学結晶基板の厚みが０．４μｍになるまで研磨加工し、複合基板を得た。得られた複合基板においては、接合界面にはがれ等の不良は観察されなかった。

２．回折格子の形成
上記１．で得られた複合基板の電気光学結晶基板表面に回折格子を形成した。具体的には以下のとおりであった。まず、金属マスクとしてアルミニウム（Ａｌ）を電気光学結晶基板表面に成膜し、さらに、金属マスク上にナノインプリント法により樹脂パターンを形成した。樹脂パターンは、電気光学結晶基板の光導波路となる部分の上部に、光導波路の導波方向と直交する方向に延びる周期５６７ｎｍ（ライン／スペース：２８３．５ｎｍ／２８３．５ｎｍ）のストライプ形状で、光導波路の導波方向の長さ１０００μｍで形成した。次いで、この樹脂パターンをマスクにした塩素系反応性イオンエッチングにより、回折格子パターン状の金属マスクを形成した。次いで、回折格子パターン状の金属マスクを介したフッ素系反応性イオンエッチングにより、深さ０．０５μｍの回折格子溝を形成した。最後に、金属マスクをＡｌエッチング液で除去した。このようにして、電気光学結晶基板の光導波路となる部分に回折格子を形成した。

３．電極の形成
上記２．で得られた回折格子が形成された複合基板の電気光学結晶基板表面に一対の電極を形成した。具体的には、電気光学結晶基板の左右端部にそれぞれレジストを塗布し、フォトリソグラフィープロセスにより電極のレジストパターンを形成した。次いで、スパッタリングにより、厚み２０ｎｍのＴｉ膜、厚み１００ｎｍのＰｔ膜、および厚み３００ｎｍのＡｕ膜を順次成膜し、成膜後リフトオフして電極を形成した。形成した電極間のギャップは５μｍであった。

４．光走査素子の作製
上記３．で得られた回折格子および電極が形成された複合基板から、光走査素子を作製した。具体的には、以下の手順で光走査素子を作製した。まず、電気光学結晶基板に金属マスクとしてモリブデン（Ｍｏ）を成膜した。次に、金属マスク上に、ナノインプリント法により、所定の配置で空孔を有する樹脂パターンを形成した。具体的には、フォトニック結晶の空孔に対応する空孔パターンとして、左側および右側に、直径２８９ｎｍの空孔を、光導波路方向および光導波路方向に直交する方向にそれぞれ４２５ｎｍの周期（ピッチ）で有する１０列の格子列を形成した。空孔は、中央部には形成しなかった（最終的に、この部分が光導波路となる）。さらに、隅部（左右の格子列部分の光導波路となる部分の反対側の端部の入力部側および出力部側）に、直径１００μｍの空孔（エッチング用貫通孔のパターン）を４つ形成した。次いで、Ｍｏエッチング液（硝酸：酢酸：リン酸の混合比１０：１５：１の混合液）によるエッチングによりＭｏマスクに上記パターンに対応する空孔を形成した。次いで、パターン形成されたＭｏマスクを介したフッ素系反応性イオンエッチングにより、電気光学結晶基板、光学損失抑制層および接合層に空孔パターンおよびエッチング用貫通孔を形成した。次いで、ＢＨＦ（バッファードフッ酸）エッチング液に複合基板を浸漬し、空洞加工層を除去して空洞を形成した。さらに、Ｍｏマスクの残りをＭｏエッチング液で除去した。最後に、約１０％に希釈した水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）に複合基板を浸漬して光学損失抑制層および接合層をエッチングし、光走査素子ウェハを作製した。得られた光走査素子ウェハをダイシングによりチップ切断し、光走査素子を得た。光走査素子の光導波路の長さは５ｍｍとした。なお、チップ切断後、光導波路の入力側端面および出力側端面には端面研磨を施した。

得られた光走査素子（チップ）について、光挿入損失を測定した。具体的には、光ファイバに結合した入力側の先球ファイバを通して波長１．０２５μｍのレーザー光をチップ（実質的には、フォトニック結晶層の光導波路）に導入し、出力側の先球ファイバを通して出力した光量を光検出器で測定して伝搬損失を算出した。光導波路の伝搬損失は、０．５ｄＢ／ｃｍであった。
さらに、光走査素子の電極間に印加する電圧を±１００Ｖの間で切り換えて、光導波路から出力されるレーザー光のパターンと出射角を観察した。レーザー光のパターンおよび出射角については、大塚電子製高速配光測定システム（ＲＨ５０）にて扇の角度と印加電圧の出射角依存特性を測定した。その結果、出力されるレーザー光は、平面視ライン状かつ光導波路方向から見ると扇状のいわゆるファンビーム状であり、扇の角度（ファンの拡がり角度）は３０°であった。また、出射角は、印加電圧を変化させることにより、光走査素子の法線方向を基準にして－６０°から＋６０°まで可変できることを確認した。
また、応答性について実験検証するため電圧±１５Ｖ、５０ＭＨｚで光を走査できるかを観測した。この結果、問題なく走査できることが確認できた。本発明の実施形態による光走査素子は、原理的に電気光学効果の応答性に依存するので、ＧＨｚオーダーでの動作が可能と推察できる。なお、光走査素子の動作は、電極構造に影響される場合がある。

＜実施例３：光走査素子の作製＞
１．複合基板の作製、２．回折格子の形成
実施例２における「１．複合基板の作製」および「２．回折格子の形成」と同様にして、回折格子が形成された複合基板を得た。

３．電極の形成
次いで、得られた複合基板の電気光学結晶基板表面に一対の透明電極を形成した。まずスパッタリング法により、電気光学結晶基板全面に厚み１００ｎｍのアルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）膜を成膜し、更に保護膜としてＳｉＯ_２膜を厚み５０ｎｍ成膜した。次に、レジストを塗布してフォトリソグラフィープロセスにより、回折格子の左右両側にレジストマスクパターンを形成した。その後、フッ系反応性イオンエッチングにてＳｉＯ_２膜とＡＺＯ膜をエッチングして透明電極パターンを形成した。最後に、アセトンを使用してレジストマスクを除去した。形成した電極間のギャップは１μｍであった。

４．光走査素子の作製
上記３．で得られた回折格子および透明電極が形成された複合基板から、光走査素子を作製した。具体的には、以下の手順で光走査素子を作製した。まず、透明電極および電気光学結晶基板に金属マスクとしてモリブデン（Ｍｏ）を成膜した。次に、金属マスク上に、ナノインプリント法により、所定の配置で空孔を有する樹脂パターンを形成した。具体的には、フォトニック結晶の空孔に対応する空孔パターンとして、左側および右側に、直径２８９ｎｍの空孔を、光導波路方向および光導波路方向に直交する方向にそれぞれ４２５ｎｍの周期（ピッチ）で有する１０列の格子列を形成した。空孔は、中央部には形成しなかった（最終的に、この部分が光導波路となる）。さらに、隅部（左右の格子列部分の光導波路となる部分の反対側の端部の入力部側および出力部側）に、直径１００μｍの空孔（エッチング用貫通孔のパターン）を４つ形成した。次いで、Ｍｏエッチング液（硝酸：酢酸：リン酸の混合比１０：１５：１の混合液）によるエッチングによりＭｏマスクに上記パターンに対応する空孔を形成した。次いで、パターン形成されたＭｏマスクを介したフッ素系反応性イオンエッチングにより、透明電極、電気光学結晶基板、光学損失抑制層および接合層に空孔パターンおよびエッチング用貫通孔を形成した。次いで、ＢＨＦ（バッファードフッ酸）エッチング液に複合基板を浸漬し、空洞加工層を除去して空洞を形成した。さらに、Ｍｏマスクの残りをＭｏエッチング液で除去した。最後に、約１０％に希釈した水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）に複合基板を浸漬して光学損失抑制層および接合層をエッチングし、光走査素子ウェハを作製した。得られた光走査素子ウェハをダイシングによりチップ切断し、光走査素子を得た。光走査素子の光導波路の長さは５ｍｍとした。なお、チップ切断後、光導波路の入力側端面および出力側端面には端面研磨を施した。

得られた光走査素子（チップ）について、光挿入損失を測定した。具体的には、光ファイバに結合した入力側の先球ファイバを通して波長１．０２５μｍのレーザー光をチップ（実質的には、フォトニック結晶層の光導波路）に導入し、出力側の先球ファイバを通して出力した光量を光検出器で測定して伝搬損失を算出した。光導波路の伝搬損失は、０．５ｄＢ／ｃｍであった。
さらに、光走査素子の電極間に印加する電圧を±２５Ｖの間で切り換えて、光導波路から出力されるレーザー光のパターンと出射角を観察した。レーザー光のパターンおよび出射角については、大塚電子製高速配光測定システム（ＲＨ５０）にて扇の角度と印加電圧の出射角依存特性を測定した。その結果、出力されるレーザー光は、平面視ライン状かつ光導波路方向から見ると扇状のいわゆるファンビーム状であり、扇の角度（ファンの拡がり角度）は３０°であった。また、出射角は、印加電圧を変化させることにより、光走査素子の法線方向を基準にして－６０°から＋６０°まで可変できることを確認した。
また、応答性について実験検証するため電圧±４Ｖ、５０ＭＨｚで光を走査できるかを観測した。この結果、問題なく走査できることが確認できた。本発明の実施形態による光走査素子は、原理的に電気光学効果の応答性に依存するので、ＧＨｚオーダーでの動作が可能と推察できる。なお、光走査素子の動作は、電極構造に影響される場合がある。

＜比較例１：光走査素子の作製＞
Ｘカットニオブ酸リチウム基板（電気光学結晶基板）の代わりにシリコン基板を用いたこと、ならびに、空孔の直径を２０４ｎｍとし、周期を３００ｎｍとしたこと以外は実施例２と同様にして光走査素子（チップ）を作製した。得られた光走査素子を実施例２と同様の評価に供した。その結果、光導波路の伝搬損失は、０．５ｄＢ／ｃｍであった。さらに、出力されるレーザー光は、平面視ライン状かつ光導波路方向から見ると扇状のいわゆるファンビーム状であり、扇の角度（ファンの拡がり角度）は３０°であった。また、光走査素子に印加する電圧を変化させても出射角は変化しなかった。

本発明の実施形態による光走査素子は、いわゆるスキャナーとして広範囲に用いられ得る。光走査素子は、例えば、レーザーレーダー、レーザースキャナー、ＬＩＤＡＲとして用いられ、自動車の自動運転制御用、あるいは、ロボットまたはドローンの位置制御用の障害物検知システム、測距システムに適用され得る。

１０ 電気光学結晶基板
１２ 空孔
１６ 光導波路
２０ 接合部
３０ 支持基板
４０ 電極
５０ 回折格子
６０ クラッド層
８０ 空洞
１００ 光走査素子
１０１ 光走査素子

Claims (6)

1. 電気光学結晶基板に周期的に空孔が形成されてなるフォトニック結晶層と、
   該フォトニック結晶層において形成されている線欠陥の光導波路と、
   該光導波路の上部、左側面部および右側面部から選択される少なくとも1つの部分に設けられた回折格子と、
   該光導波路の左側および右側に設けられた電極と、を有し、
   該光導波路の上面から出射する光の出射角が変化するよう構成されており、
   該電気光学結晶基板が、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、チタン酸リン酸カリウム、ニオブ酸カリウム・リチウム、ニオブ酸カリウム、タンタル酸・ニオブ酸カリウム、および、ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムとの固溶体からなる群から選択される１つで構成されている、
   光走査素子。
2. 前記電気光学結晶基板の下部に設けられ、該電気光学結晶基板を支持する支持基板と、
   該電気光学結晶基板と該支持基板とを一体化する接合部と、
   該電気光学結晶基板の下面と該支持基板の上面と該接合部とにより規定される空洞と、
   をさらに有する、請求項１に記載の光走査素子。
3. 前記フォトニック結晶層の上面に設けられたクラッド層をさらに有し、該クラッド層の上面の前記光導波路に対応する部分に前記回折格子が設けられている、請求項１または２に記載の光走査素子。
4. 前記回折格子が、前記光導波路の導波方向に対して実質的に直交する方向に延びる複数のグレーティング溝を有する、請求項１から３のいずれかに記載の光走査素子。
5. 前記光導波路の長さが５ｍｍ以下である、請求項１から４のいずれかに記載の光走査素子。
6. 前記電極は、光に対して透明であり、前記空孔と重なるように前記フォトニック結晶層の上部に設けられている、請求項１～５のいずれかに記載の光走査素子。

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