JPWO2018155535A1 - 光偏向デバイス - Google Patents

Abstract

光偏向デバイスは、導波路コアから放射される光ビームを外部方向に回折する回折機構において、導波路コアの長さ方向を縦方向としたとき、導波モードを横方向に順に変化させる構成とすることによって、横方向において光を閉じ込める程度を順に弱めて、導波路コアから浸み出し状態を変化させることによって、放射光ビームのビーム強度分布の横方向の広がりを抑制し、また、導波モードの横方向分布の同符号を持った電磁界からの放射を促進することで遠方での干渉を抑制し、単峰のビームを形成する。これにより、放射光ビームの横方向分布において、放射光ビームのビーム強度分布の横方向の広がりを抑制し、放射光ビームのビーム強度分布を単峰性とする。

Description

本発明は、光の進行方向を制御する光偏向デバイスに関する。

周囲の物体までの距離を２次元画像として取得するレーザ計測を用いたレーザレーダーもしくはライダー装置（LiDAR（Light Detection and Ranging, Laser Imaging Detection and Ranging））の技術分野は、車の自動運転や３次元地図作製等に利用されており、その基盤技術はレーザプリンタやレーザディスプレイ等にも適用可能である。

この技術分野では、光ビームを物体に当て、物体で反射して戻ってくる反射光を検出し、その時間差や周波数差から距離の情報を取得すると共に、光ビームを２次元的に走査することによって広角の３次元情報を取得する。

光ビーム走査には光偏向デバイスが必須である。従来は、機器全体の回転、多角形ミラー（ポリゴンミラー）、ガルバノミラーといった機械式ミラー、マイクロマシーン技術（MEMS技術）による小型集積ミラーなど、いずれも機械式の機構が用いられているが、大型、高価、振動する移動体での不安定性などが問題であり、近年、非機械式の光偏向デバイスの研究が盛んとなっている。

非機械式の光偏向デバイスとして、光の波長やデバイスの屈折率を変えることで光偏向を実現するフェーズドアレイ型や回折格子型が提案されている。しかしながら、フェーズドアレイ型の光偏向デバイスはアレイ状に並べられた多数の光放射器の位相調整が非常に難しく、高品質な鋭い光ビームを形成することができないという課題がある。回折格子型の光偏向デバイスは鋭いビームの形成が容易であるが、光偏向角が小さいという課題がある。

光偏向角の課題に対して、本発明の発明者は、スローライト導波路を回折格子等の回折機構に結合させることによって光偏向角を増大させる技術を提案している（特許文献１）。スローライトはフォトニック結晶導波路のようなフォトニックナノ構造の中で発生し、低群速度を持つ。スローライトの光は、波長や導波路の屈折率のわずかな変化により、伝搬定数を大きく変化させるという特徴を持つ。このスローライト導波路の内部、もしくは直近に回折機構を設置すると、スローライト導波路が回折機構に結合して漏れ導波路となり、自由空間に光を放射する。このとき伝搬定数の大きな変化は放射光の偏向角に反映し、結果として大きな偏向角が実現される。

フォトニック結晶の面内に導波路に沿って１種類の直径の円孔を繰り返してなる周期構造ではスローライト伝搬光は非放射である。また、２種類の異なる直径の円孔を繰り返す二重周期構造では、スローライト伝搬光は放射条件に変換され、空間に放射される。

したがって、１種類の直径の円孔を繰り返してなる周期構造からなるフォトニック結晶導波路は、回折格子等の回折機構により伝搬光を放射する。一方、フォトニック結晶の面内に２種類の異なる直径の円孔を繰り返す二重周期構造では、フォトニック結晶導波路に回折機構が組み込まれた一つの構成要素で構成される。

低群速度をもつ光(スローライト)を伝搬するフォトニック結晶導波路に回折機構を導入したデバイス構造とそこからの放射光ビームの概要を図７Ａ〜図７Ｄに示す。

（第１のデバイス構造）
図７Ａ，図７Ｂは第１の光偏向デバイスのデバイス構造を示す。光偏向デバイス１０１Ａは、２種類の異なる直径の円孔１１１ａ，１１１ｂを繰り返してなる二重周期構造を有するフォトニック結晶導波路１０２を備える。

光偏向デバイス１０１Ａは、ＳｉＯ_２等の低屈折率材料からなるクラッド１０６上に、高屈折率部材１０１に低屈折率部位１１１が配列されたフォトニック結晶導波路１０２が設けられる。低屈折率部位１１１の格子配列１１２は、例えば、大径の円孔を繰り返す周期構造と、小径の円孔を繰り返す周期構造の二重周期構造である。二重周期構造を形成する円孔の大径及び小径は、基準の円孔の直径に対して、あるいは互いの直径の比較において、大小の関係を示すものであり、例えば、基準の円孔の直径を２rとし、直径の相違幅を２Δｒとしたとき、大径の円孔１１１ａの直径２r1は２（ｒ＋Δｒ）であり、小径の円孔１１１ｂの直径２r2は２（ｒ−Δｒ）である。フォトニック結晶導波路１０２の格子配列１１２において、円孔１１１を設けない部分は入射光を伝搬する導波路コア１０５を構成する。

（第２のデバイス構造）
図７Ｃ，図７Ｄは第２の光偏向デバイスのデバイス構造を示す。光偏向デバイス１０１Ｂは、１種類の直径の円孔１１１ｃを繰り返してなる周期構造のフォトニック結晶導波路１０２上に表面回折格子１０３が配設されてなる。

格子配列１１２は高屈折率部材１０１に低屈折率部位の円孔１１１ｃが周期配列され、フォトニック結晶導波路１０２が形成される。フォトニック結晶導波路１０２上には表面回折格子１０３が配設され、伝搬光を放射する回折機構を構成する。

特願２０１６−１０８４４

従来提案されている光偏向デバイスにおいて、導波路コアを伝搬する伝搬光は回折機構によって導波路に沿って少しずつ光が放射され、放射光ビームが形成される。放射光ビームは、光偏向デバイスの導波路の屈折率や入射波長を変えることによって偏向される。放射光ビームは、導波路に沿った方向（ここでは縦方向とする）に対してはビーム強度分布が揃った鋭いビームとなる。

一方、導波路と直交する方向（ここでは横方向とする）に対してスローライトは、狭い導波路コア１０５に閉じ込められて伝搬する。そこから空間に放射されるため、一般に光ビームが広がる。また、フォトニック結晶の周期性に由来して、周期的な導波モード分布から放射された光が相互に干渉するため、複雑な横方向分布が形成される可能性がある。

図８Ａ，図８Ｂは放射光ビームのビーム強度分布を説明するための図であり、図８Ａは縦方向のビーム強度分布を示し、図８Ｂは横方向のビーム強度分布を示している。図８Ａにおいて、放射光ビームは導波路に沿って徐々に漏れ出すことで縦方向のビーム強度分布は揃った鋭いビームとなる。図８Ｂにおいて、横方向のビーム強度分布は広い角度分布を有する。

光偏向デバイスによる放射光ビームには、縦方向におけるビーム強度の均一化の他、ビーム強度分布の横方向への広がりが抑制されること、及びビーム強度分布が単峰性であることが求められる。

特に、放射光ビームの横方向分布において、横方向の広がり、及びビームの強度が複数のピークを有した複雑なビーム強度の分布形状がある場合は、平行ビームヘの変換効率を低下させる要因となる。

放射光ビームの横方向への広がりを抑制するために、光偏向デバイスの上方にコリメートレンズを設置し、導波路からの放射光ビームを平行ビームに変換する構成がよく用いられる。しかしながら、コリメートレンズによる平行ビームへの変換は、横方向の広がり角を小さく抑えるものの、光ビームの横方向分布の発生自体を抑えるものではなく、また、横方向の複数個のピークを有したビーム強度分布は、平行ビームへの変換後においてもそのまま保持される。

即ち、平行ビームヘの変換効率を高めるには、放射光ビームにおいて、複雑な横方向分布の発生が抑えられ、ビーム強度分布のピークは単峰であることが求められる。

本発明は、放射光ビームの横方向分布において、放射光ビームのビーム強度分布の横方向の広がりを抑制し、放射光ビームのビーム強度分布を単峰性とする光偏向デバイスを目的とする。

本発明の光偏向デバイスは、導波路コアから放射される光ビームを外部方向に回折する回折機構において、導波路コアの長さ方向を縦方向としたとき、導波モードを横方向に順に変化させる構成とすることによって、横方向において光を閉じ込める程度を順に弱めて、導波路コアから浸み出し状態を変化させることによって、放射光ビームのビーム強度分布の横方向の広がりを抑制し、また、導波モードの横方向分布の同符号を持った電磁界からの放射を促進することで遠方での干渉を抑制し、単峰のビームを形成する。

本発明の光偏向デバイスは、高屈折率部材の面内に低屈折率部位が周期的に格子配列されたフォトニック結晶導波路と、フォトニック結晶導波路の導波路コアの伝搬光を偏向させ外部に放射光ビームを放射する回折機構とを備え、回折機構は、導波路コアの長さ方向に沿って配列された複数の周期部位を備え、各周期部位は導波路コアの長さ方向に対して鋭角又は鈍角に配置される。

本発明の光偏向デバイスは、高屈折率部材に低屈折率部位を配列してなる格子配列において、フォトニック結晶導波路が２種類の異なる大きさの低屈折率部を繰り返してなる二重周期構造を有する第１の形態と、フォトニック結晶導波路が１種類の同じ大きさの低屈折率部を繰り返してなる周期構造を有する第２の形態とを含む。

（第１の形態）
光偏向デバイスの第１の形態において、フォトニック結晶導波路及び回折機構は、高屈折率部材の面内に導波路コアの長さ方向に沿って２種類の異なる大きさの低屈折率部位が周期配列された二重周期構造の格子配列を備える。

回折機構は、二重周期構造の格子配列において、それぞれ同じ大きさの低屈折率部位が周期配列された２種類の周期部位を備える。２種類の周期部位は導波路コアの長さ方向に沿って交互に配列され、導波路コアの長さ方向に対して鋭角又は鈍角に配置される。

周期部位は、複数の配置形態によって、導波路コアの長さ方向に沿って交互に配列され、導波路コアの長さ方向に対して鋭角又は鈍角に配置することができる。

(a) 第１の配置形態：
回折機構の各周期部位の第１の配置形態は、各周期部位を導波路コアの長さ方向に対してＶ字形状又は逆Ｖ字形状の形状に配置する。

二重周期構造をＶ字形状又は逆Ｖ字形状とする配置形態では、導波モードが導波路コアから横方向に染み出すことによって、導波路コアへの光の閉じ込めを漸次に弱め、放射角度分布を例えば±２５°程度まで狭める効果を奏する。

また、このＶ字形状の周期部位のパターンは、導波モードの横方向分布において同符号を持つ電磁界からの放射を促進して遠方での干渉を抑制し、単峰性ビームを形成する効果を奏する。

(b) 第２の配置形態：
回折機構の各周期部位の第２の配置形態は、格子配列の一部の低屈折率部位の直線配列を導波路コアの長さ方向に対して位置ずれさせて配置する、格子シフトと呼ばれる配置形態であり、二重周期構造において、導波路コアの長さ方向に並ぶ低屈折率部位の直線配列において、導波路コアに対して対称の位置にある２つの直線配列は他の直線配列に対して導波路コアの長さ方向に位置ずれさせて配列する。この第２配置形態による格子シフト付Ｖ字形状配置は、格子シフトさせていないフォトニック結晶導波路の偏向角特性を均一化する効果を奏する。

(c) 第３の配置形態：
回折機構の各周期部位の第３の配置形態は、格子配列において、導波路コアの近傍の格子配列については二重周期構造とし、二重周期構造の２種類の周期部位について第１の配置形態と同様にＶ字形状又は逆Ｖ字形状の形状に配置し、その他の格子配列については周期構造とする配置形態であり、フォトニック結晶導波路の格子配列において、導波路コアの長さ方向に沿って配列された２種類の異なる大きさの低屈折率部位が周期配列された格子配列の内、導波路コアに近傍の複数列の格子配列は二重周期構造とし、残りの格子配列は同じ大きさの低屈折率部位が周期配列された周期構造とする。

格子配列の一部を第１の配置形態のＶ字形状とすることによって、導波モードが主に集中する導波路コアの近傍にだけ二重周期構造を設ける構成とすることができ、放射パターンをより単純化させ、単峰にする効果を奏する。

(d) 第４の配置形態：
回折機構の各周期部位の第４の配置形態は、第１の配置形態と同様にＶ字形状又は逆Ｖ字形状に配置すると共に、格子配列の二重周期構造の２種類の周期部位について、低屈折率部位の大きさをグラデーション配列するものであり、低屈折率部位の大きさが低屈折率部位の配列方向に沿って順に増加又は減少するように配列する。

第４の配置形態は、Ｖ字形状又は逆Ｖ字形状とグラデーション配列とを組み合わせた形態である。Ｖ字形状とグラデーション配列とを組み合わせた形態は、導波路コアから離れるにしたがって二重周期構造を徐々に均一化する構成とすることによって、放射光ビームの横方向分布をより滑らかにする効果を奏する。一方、逆Ｖ字形状とグラデーション配列とを組み合わせた形態は、導波モードが放射される幅を実効的に広げ、横方向分布をより狭くする効果を奏する。

(e) 第５の配置形態：
回折機構の各周期部位の第５の配置形態は、二重周期構造の２種類の周期部位が導波路コアと鋭角又は鈍角で交差する配置形態であり、導波路コアを中心にして、一方の側の周期部位を導波路コアの長さ方向に対して鋭角に配置し、他方の側の周期部位を導波路コアの長さ方向に対して鈍角に配置する。

フォトニック結晶において、高屈折率部材に設ける低屈折率部位を円孔とする構成では、二重周期構造の格子配列は、フォトニック結晶の円孔パターンを大径の円孔と小径の円孔とを繰り返すことで構成される。この大小の円孔で構成される二重周期構造では、加工工程が少ないことに加え、円孔の大小の変化量を面内で変えると、放射角度を変えることなく、放射量を変えることができるので、導波路伝搬方向に向かって徐々に放射光ビームの縦方向分布をガウス分布にし、縦方向に対してサイドロ一プが少ない高品質なビームを形成できるという効果を奏する。

（第２の形態）
光偏向デバイスの第２の形態は、１種類の大きさの低屈折率部位を繰り返してなる周期構造の格子配列のフォトニック結晶導波路と、回折機構としてこのフォトニック結晶導波路上に配置された表面回折格子を備える。

フォトニック結晶導波路は、高屈折率部材の面内に導波路コアの長さ方向に沿って同じ大きさの低屈折率部位が周期配列された周期構造の格子配列を備える。一方、回折機構は、フォトニック結晶導波路の格子配列上に配置された表面回折格子である。表面回折格子が備える周期部位は凹凸配列であり、各周期部位を導波路コアに対して鋭角又は鈍角に配置する。

周期部位は複数の形態によって、導波路コアの長さ方向に対して鋭角又は鈍角に配置することができる。

(a) 第１の配置形態：
表面回折格子の各周期部位の第１の配置形態は、各周期部位を導波路コアの長さ方向に対してＶ字形状又は逆Ｖ字形状の形状に配置する。表面回折格子の周期部位の第１の配置形態においても、二重周期構造においてＶ字形状又は逆Ｖ字形状の形状の周期部位を配置する形態と同様の効果を奏する。

(b) 第２の配置形態：
表面回折格子の各周期部位の第２の配置形態は、周期構造の周期部位が導波路コアと鋭角又は鈍角で交差する配置形態であり、導波路コアを中心にして、一方の側の周期部位を導波路コアの長さ方向に対して鋭角に配置し、他方の側の周期部位を導波路コアの長さ方向に対して鈍角に配置する。

以上説明したように、本発明の光偏向デバイスは、放射光ビームの横方向分布において、放射光ビームのビーム強度分布の横方向の広がりを抑制し、放射光ビームのビーム強度分布を単峰性とすることができる。

本発明の光偏向デバイスの概略構成を説明するための図である。 本発明の第１の概略構成を説明するための図である。 本発明の第１の概略構成を説明するための図である。 放射光ビームの横方向の広がりを説明するための図である。 放射光ビームの横方向の広がりを説明するための図である。 本発明の第１の形態の二重周期構造の構成例を説明するための図であり、回折機構を構成する各周期部位の第１の配置形態である。 回折機構を構成する各周期部位の第１の配置形態である。 回折機構を構成する各周期部位の第２の配置形態である。 回折機構を構成する各周期部位の第３の配置形態である。 回折機構を構成する各周期部位の第４の配置形態である。 回折機構を構成する各周期部位の第４の配置形態である。 本発明の第１の形態の二重周期構造の構成例を説明するための図であり、回折機構を構成する各周期部位の第５の配置形態である。 回折機構を構成する各周期部位の第５の配置形態である。 本発明の第２の形態の二重周期構造の構成例を説明するための図である。 本発明の第２の形態の二重周期構造の構成例を説明するための図である。 本発明の第２の形態の二重周期構造の構成例を説明するための図であり、表面回折格子により回折機構を構成する第１の配置形態である。 表面回折格子により回折機構を構成する第１の配置形態である。 表面回折格子により回折機構を構成する第１の配置形態である。 表面回折格子により回折機構を構成する第２の配置形態である。 表面回折格子により回折機構を構成する第２の配置形態である。 低群速度をもつ光(スローライト)を伝搬するフォトニック結晶導波路に回折機構を導入したデバイス構造を説明するための図であり、第１の光偏向デバイスのデバイス構造である。 第１の光偏向デバイスのデバイス構造である。 第２の光偏向デバイスのデバイス構造である。 第２の光偏向デバイスのデバイス構造である。 放射光ビームのビーム強度分布を説明するための図であり、縦方向のビーム強度分布である。 放射光ビームのビーム強度分布を説明するための図であり、横方向のビーム強度分布である。

以下、本願発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。以下、図１を用いて本願発明の光偏向デバイスの概略構成例を説明し、図２Ａ〜図２Ｄ，図３Ａ〜図３Ｆ，図４Ａ，図４Ｂを用いて本願発明の光偏向デバイスの第１の形態を説明し、図５Ａ，図５Ｂ，図６Ａ〜Ｅを用いて本願発明の第２の形態を説明する。

（光偏向デバイスの概要）
図１は本願発明の光偏向デバイスの概略を説明するための図である。

光偏向デバイス１は、高屈折率部材１０の面内に低屈折率部位１１が周期的に格子配列されたフォトニック結晶導波路２と、フォトニック結晶導波路２の導波路コア５の伝搬光を偏向させ外部に放射光ビームを放射する回折機構３とを備える。

フォトニック結晶導波路２及び回折機構３は、Ｓｉ等の半導体材からなるクラッド６上に設けられる。

導波路コア５に入射された入射光は、導波路コア５を長さ方向の伝搬しながら、回折機構３によって導波路コア５から外部に放射される。図１中の矢印は入射光及び放射光ビームを模式的に示している。

フォトニック結晶導波路２は、Ｓｉ等の半導体からなる高屈折率部材１０に低屈折率部位１１を周期的に配した格子配列により形成される。低屈折率部位１１は、例えば、高屈折率部材１０に設けた円孔とすることができる。

フォトニック結晶導波路２は、格子配列の一部に低屈折率部位１１を設けない部分を設けることによって光を伝搬する導波路コア５が形成される。低屈折率部位１１を円孔とする構成では、格子配列の一部に円孔を配置しない部分を設けることによって導波路コア５が形成される。

回折機構３は、導波路コア５の伝搬光を偏向させて外部に放射光ビームを放射する機構であり、導波路コア５の長さ方向に沿って配列された複数の周期部位４を備え、各周期部位４を導波路コア５の長さ方向に対して鋭角又は鈍角で配置する。周期部位４を配置する一形態として、導波路コア５の長さ方向に対してＶ字形状又は逆Ｖ字形状に配置する。

回折機構３が備える周期部位４は、導波路コア５の長さ方向を縦方向としたとき、導波路コア５の長さ方向に対して鋭角又は鈍角に配置することによって、周期部位４が導波モードに対する横方向の作用する程度を減少させ、導波路コア５の光の閉じ込めを弱めて導波モードを染み出させ、これによって放射光ビームの横方向における放射角度分布を狭める。放射角度分布の狭まりの効果は、例えば±２５°程度とすることができる。

また、周期部位４を導波路コア５の長さ方向に対してＶ字形状又は逆Ｖ字形状に配置した構成は、導波モードの横方向分布において、Ｖ字形状の周期部位は同符号を持った電磁界からの放射を促進して、光偏向デバイスから離れた遠方において、放射光ビームの干渉を抑制し、複数ピークの形成を抑えて単峰性のビームを形成する。

本発明の光偏向デバイス１の回折機構３は、フォトニック結晶導波路２の格子配列と共に形成する第１の形態、あるいは、フォトニック結晶導波路２と別体の構成部材としてフォトニック結晶導波路２に重ねて構成する第２の形態とすることができる。

第１の形態において、フォトニック結晶導波路２は、その格子配列を大きさが異なる２種類の低屈折率部位をそれぞれ周期配列してなる二重周期構造とし、回折機構３は、この二重周期構造を構成する各周期構造の周期部位を導波路コア５の長さ方向に対して鋭角又は鈍角で配置する。

第２の形態において、フォトニック結晶導波路２は、その格子配列を大きさが同じである１種類の低屈折率部位を周期配列してなる周期構造とし、回折機構３は表面回折格子として、フォトニック結晶導波路２の格子配列上に重ねて配置する。

なお、図１では、回折機構３の周期部位４は、第１の形態と第２の形態の両形態を表すために模式的に示している。

（第１の形態）
本発明の光偏向デバイスの第１の形態について図２Ａ〜図２Ｄ，図３Ａ〜図３Ｆ，図４Ａ，図４Ｂを用いて説明する。図２は第１の概略構成、及び放射光ビームの横方向の広がりを説明するための図であり、図３Ａ〜図３Ｆ，図４Ａ，図４Ｂは第１の形態の二重周期構造の構成例を説明するための図である。

光偏向デバイスの第１の形態は、高屈折率部材１０の面内において、導波路コア５の長さ方向に沿って２種類の異なる大きさの低屈折率部位１１ａ，１１ｂが周期配列され、二重周期構造の格子配列１２が形成される。第１の形態は、フォトニック結晶導波路２と回折機構３とを同一の格子配列１２上に形成する構成である。

低屈折率部位１１ａ，１１ｂは、高屈折率部材１０に形成した径が異なる円孔によって構成することができる。二重周期構造の格子配列において、低屈折率部位として円孔を用いて構成する場合には、加工工程が少ないことに加え、円孔の大小の変化量を面内で変えることによって、放射角度を変えることなく放射量を変えることができる。これにより、導波路の伝搬方向に向かって徐々に放射光ビームの縦方向分布をガウス分布にし、縦方向に対してサイドロ一プが少ない高品質なビームを形成できる。

二重周期構造において、従来提案される格子配列１２の二重周期構造は、図７Ｂに示したように、Ｓｉなどの高屈折率材料１１０に三角格子パターンの円孔１１１ａ，１１１ｂが周期的に配列され、中央部分に円孔（１１１ａ，１１１ｂ）が形成されない領域を設けて光導波路コア１０５としている。この二重周期構造では、導波路コア５中を伝搬する光の進行方向である、導波路コア５の長さ方向に沿って、大小の径の円孔（１１１ａ，１１１ｂ）が交亙に配置されて二重周期構造が構成され、この二重周期構造によって、導波路コア５を伝搬する光が面外に放射される。

この二重周期構造が形成する放射光ビームの横方向の角度分布は、図２Ｄに示す様に約±８０°程度の広い角度の分布範囲を有し、しかも光強度ピークが三つに分裂する。このような広い角度分布は、導波路コア５の伝搬光が強く閉じ込められている状態から面外に放射されることに起因し、また、光強度ピークの三つの分裂は導波モードの横方向分布がプラス方向とマイナス方向に振動しており、異符号をもった電磁界からの放射同士が遠方で干渉して腹と節を作るためと推察される。

この従来提案される二重周期構造に対して、本発明の第１の形態の光偏向デバイス１が備える二重周期構造３Ａは、高屈折率部材１０の面内に導波路コア５の長さ方向に沿って２種類の異なる大きさの低屈折率部位１１ａ，１１ｂを周期配列して形成される格子配列１２において、それぞれ同じ大きさの低屈折率部位が周期配列された２種類の周期部位４Ａａ，４Ａｂを備える。

図２Ｂに示す構成では、格子配列の２種類の低屈折率部位を、大径の円孔１１ａと小径の円孔１１ｂで構成する例を示している。ここで、大径の円孔１１ａが導波路コア５から横斜め方向に延びる配列は周期部位４Ａａを構成し、小径の円孔１１ｂが導波路コア５から横斜め方向に延びる配列は周期部位４Ａｂを構成する。

本発明の二重周期構造では、この２種類の周期部位４Ａａ及び４Ａｂを導波路コア５の長さ方向（導波路コア５を伝搬する光の進行方向）に沿って交互に配列すると共に、導波路コア５の長さ方向に対して鋭角あるいは鈍角に配置する。この配置において、周期部位４Ａａ，４Ａｂが導波路コア５を伝搬する光の進行方向に対して鋭角である場合には、各周期部位４Ａａ，４Ａｂの配置はＶ字形状又は逆Ｖ字形状となる。

第１の形態の格子配列は、フォトニック結晶導波路２を構成すると共に、回折機構３を構成する。

図２Ｃは、本発明の二重周期構造において、Ｖ字形状の周期部位を有した格子配列による放射光ビームの横方向の角度分布を示している。

Ｖ字形状の周期部位によって、導波モードが導波路コアから横方向に染み出すことによって光の閉じ込めを適度に弱めるため、放射角度分布は±２５°程度まで狭まる。また、Ｖ字形状の周期部位によって、導波モードの横方向分布において、同符号を持った電磁界からの放射を促進するため、遠方での干渉が抑制され、単峰性のビームが形成される。

なお、図２Ｃにおいて、波長を１．５５μｍとし、フォトニック結晶の格子定数を４００ｎｍとし、大径の円孔１１ａの直径２r1を２１５ｎｍとし、小径の円孔１１ｂの直径を２r2を２９５ｎｍとし、高屈折率部材１０の屈折率を３．５、厚さを２１０ｎｍとし、上クラッド及び下クラッド６の屈折率を１．４５にしている。

第１の形態において、周期部位４Ａａ，４Ａｂは複数の配置形態によって、導波路コアの長さ方向に沿って交互に配列し、導波路コアの長さ方向に対して鋭角又は鈍角に配置することができる。以下、図３Ａ〜図３Ｆ，図４Ａ，図４Ｂを用いて周期部位の配置形態について説明する。

(a) 第１の配置形態：
第１の配置形態は、各周期部位４Ａ（４Ａａ，４Ａｂ）を導波路コア５の長さ方向に対してＶ字形状又は逆Ｖ字形状に配置する。図３Ａ，図３Ｂは回折機構を構成する各周期部位の第１の配置形態を示し、図３ＡはＶ字形状の配置を示し、図３Ｂは逆Ｖ字形状の配置を示している。

二重周期構造をＶ字形状又は逆Ｖ字形状とする配置形態では、導波モードが導波路コア５から横方向に染み出すことによって、導波路コア５への光の閉じ込めを漸次に弱め、放射角度分布を例えば±２５°程度まで狭める効果を奏する。

また、このＶ字形状の周期部位のパターンは、導波モードの横方向分布において同符号を持つ電磁界からの放射を促進して遠方での干渉を抑制し、単峰性ビームを形成する効果を奏する。

(b) 第２の配置形態：
図３Ｃは回折機構を構成する各周期部位の第２の配置形態を示している。回折機構３の各周期部位の第２の配置形態は、格子配列１２中の周期部位４Ａａ，４Ａｂの一部の低屈折率部位１１ａ，１１ｂの直線配列１３を導波路コア５の長さ方向に対して位置ずれさせて配置する構成であり、格子シフトと呼ばれる配置形態である。

二重周期構造において、導波路コア５の長さ方向に並ぶ低屈折率部位１１ａ，１１ｂの直線配列１３において、導波路コア５に対して対称の位置にある２つの直線配列１３Ａ，１３Ｂは、他の直線配列に対して導波路コア５の長さ方向に位置ずれさせて配列する。この第２の配置形態は、位置ずれしていないフォトニック結晶導波路２の偏向角特性を均一化する。

(c) 第３の配置形態：
図３Ｄは回折機構を構成する各周期部位の第３の配置形態を示している。回折機構３を構成する周期部位の第３の配置形態は、格子配列１２において、導波路コア５の近傍の格子配列１４Ａ，１４Ｂについては二重周期構造とし、二重周期構造の２種類の周期部位４Ａａ，４Ａｂについて第１の配置形態と同様にＶ字形状又は逆Ｖ字形状の形状に配置し、その他の格子配列１５Ａ，１５Ｂについては同一の周期構造とする。

フォトニック結晶導波路の格子配列において、導波路コアの長さ方向に沿って配列された２種類の異なる大きさの低屈折率部位１１ａ，１１ｂが周期配列された格子配列１２の内、導波路コアに近傍の複数列の格子配列１４Ａ，１４Ｂは二重周期構造とし、残りの格子配列１５Ａ，１５Ｂは同じ大きさの低屈折率部位１１が周期配列された周期構造とする。

格子配列１２の一部を第１の配置形態のＶ字形状とすることによって、導波モードが主に集中する導波路コアの近傍にだけ二重周期構造を設ける構成とすることができ、放射パターンをより単純化させる効果を奏する。

(d) 第４の配置形態：
図３Ｅ，図３Ｆは回折機構を構成する各周期部位の第４の配置形態を示している。回折機構の各周期部位の第４の配置形態は、第１の配置形態と同様にＶ字形状又は逆Ｖ字形状の形状に配置すると共に、格子配列１２の二重周期構造の２種類の周期部位について、低屈折率部位の大きさをグラデーション配列するものである。図３Ｅでは、低屈折率部位１１ｂの大きさが低屈折率部位の配列方向に沿って順に増加するように配列する。
また、図３Ｆでは、低屈折率部位１１ａの大きさが低屈折率部位の配列方向に沿って順に増加するように配列する。

第４の配置形態は、Ｖ字形状又は逆Ｖ字形状とグラデーション配列とを組み合わせた形態である。図３ＥはＶ字形状とグラデーション配列とを組み合わせた形態を示している。この配置形態では、導波路コアから離れるにしたがって二重周期構造を徐々に均一化する構成とすることによって、放射光ビームの横方向分布をより滑らかにする効果を奏する。一方、図３Ｆは逆Ｖ字形状とグラデーション配列とを組み合わせた形態である。この配置形態では、導波モードが放射される幅を実効的に広げ、横方向分布をより狭くする効果を奏する。

(e) 第５の配置形態：
図４Ａ，図４Ｂは回折機構を構成する各周期部位の第５の配置形態を示している。回折機構の各周期部位の第５の配置形態は、二重周期構造の２種類の周期部位が導波路コアと鋭角又は鈍角で交差する配置形態である。図４Ａにおいて、導波路コア５を中心にして、一方の側の周期部位１６Ａを導波路コア５の長さ方向に対して鋭角に配置し、他方の側の周期部位１６Ｂを導波路コア５の長さ方向に対して鈍角に配置する。図４Ｂに示す配置形態は、図４Ａに示す配置形態を導波路コア５を中心に対称として構成を示している。

（第２の形態）
本発明の光偏向デバイスの第２の形態について図５Ａ，図５Ｂ，図６Ａ〜図６Ｅを用いて説明する。図５Ａ，図５Ｂは第２の概略構成を説明するための図であり、図６Ａ〜図６Ｅは第２の形態の表面回折格子の構成例を説明するための図である。

光偏向デバイスの第２の形態は、１種類の大きさの低屈折率部位１１を繰り返してなる周期構造の格子配列１２のフォトニック結晶導波路２と、回折機構３としてこのフォトニック結晶導波路２上に配置された表面回折格子３Ｂを備える。

フォトニック結晶導波路２は、高屈折率部材１０の面内に導波路コア５の長さ方向に沿って同じ大きさの低屈折率部位１１が周期配列された周期構造の格子配列１２を備える。回折機構３は、フォトニック結晶導波路２の格子配列１２上に表面回折格子３Ｂを配置して構成される。表面回折格子３Ｂが備える周期部位４Ｂ（凸部４Ｂａ，凹部４Ｂｂ）は凹凸配列であり、各周期部位４Ｂ（４Ｂａ，４Ｂｂ）を導波路コア５に対して鋭角又は鈍角に配置する。なお、図５Ａでは、周期部位４Ｂとして、表面回折格子３Ｂの凸部４Ｂａ、及び表面回折格子３Ｂの４Ｂｂ凹部をし、図５Ｂでは、表面回折格子３Ｂの凸部４Ｂａの周期部位を濃い地模様で示し、表面回折格子３Ｂの凹部４Ｂｂの周期部位を薄い地模様で示している。

表面回折格子３Ｂの周期部位（凸部４Ｂａ、凹部４Ｂｂ）を、導波路コア５の長さ方向に対して鋭角又は鈍角で配置する形態は複数の形態とすることができる。

(a) 第１の配置形態：
表面回折格子３Ｂの周期部位（凸部４Ｂａ、凹部４Ｂｂ）の第１の配置形態は、各周期部位４Ｂの凸部４Ｂａ、凹部４Ｂｂを導波路コア５の長さ方向に対してＶ字形状又は逆Ｖ字形状の形状に配置する。この表面回折格子による周期部位の第１の配置形態においても、二重周期構造に周期部位をＶ字形状又は逆Ｖ字形状の形状に配置する形態と同様の効果を奏する。

図６Ａ，図６Ｂ，図６Ｃは表面回折格子により回折機構を構成する第１の配置形態を示している。図６Ａは、円孔を三角配列した格子配列において、表面回折格子３Ｂの各周期部位である凸部４Ｂａ及び凹部４Ｂｂの角度を６０°としたＶ字形状の構成を示し、図６Ｂは、円孔を三角配列した格子配列において、表面回折格子３Ｂの各周期部位である凸部４Ｂａ及び凹部４Ｂｂの角度を１２０°とした逆Ｖ字形状の構成を示している。

また、図６Ｃは、円孔を三角配列した格子配列において、表面回折格子３Ｂの各周期部位である凸部４Ｂａ及び凹部４Ｂｂの角度を３０°としたＶ字形状の構成を示している。

(b) 第２の配置形態：
表面回折格子の各周期部位の第２の配置形態は、周期構造の周期部位が導波路コアと鋭角又は鈍角で交差する配置形態であり、導波路コアを中心にして、一方の側の周期部位を導波路コアの長さ方向に対して鋭角に配置し、他方の側の周期部位を導波路コアの長さ方向に対して鈍角に配置する。

図６Ｄ，図６Ｅは表面回折格子により回折機構を構成する第２の配置形態を示している。図６Ｄは、円孔を三角配列した格子配列において、表面回折格子３Ｂの各周期部位である凸部４Ｂａ及び凹部４Ｂｂを一方向に傾斜させ、導波路コア５に対して、一方の側の凸部４Ｂａ及び凹部４Ｂｂを導波路コア５の長さ方向に対して６０°に配置し、他方の側の凸部４Ｂａ及び凹部４Ｂｂを導波路コア５の長さ方向に対して１２０°に配置する。

通常の表面回折格子は、フォトニック結晶の二倍の周期をもった単純な直線的な回折格子を有している。これに対して、表面回折格子を用いた第２の形態によれば、この回折格子による構成とすることで、図２Ｄに示した従来の二重周期構造と同様に、横方向角度分布が広く、光強度ピークが複数に分裂した放射光ビームとなる。これに対して、表面回折格子の回折格子を、本発明の二重周期構造を有する光偏向デバイスの第１の形態と同様に、導波路コアの長さ方向に対して鋭角又は鈍角に配置することによって、広がり角が狭く、単峰性の放射光ビームを得ることができる。

なお、本発明は前記各実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の光偏向デバイス及びライダー装置（レーザレーダー）は、自動車，ドローン，ロボットなどに搭載することができ、パソコンやスマホに搭載して周囲環境を手軽に取り込む３Ｄスキャナ、監視システム、光交換やデータセンター用の空間マトリックス光スイッチなどに適用することができる。

上記した実施例では、光偏向デバイスのフォトニック結晶導波路を構成する高屈折率部材としてＳｉを想定して近赤外光の波長域の光を用いているが、光偏向デバイスを構成する高屈折率部材として可視光材料へ適用することにより、さらにプロジェクタやレーザディスプレイ、網膜ディスプレイ、２Ｄ／３Ｄプリンタ、ＰＯＳやカード読み取り等への適用が期待される。

この出願は、２０１７年２月２４日に出願された日本出願特願２０１７−０３３６４０を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１ 光偏向デバイス
２ フォトニック結晶導波路
３ 回折機構
３Ａ 二重周期構造
３Ｂ 表面回折格子
４Ａ，４Ｂ，４Ａａ，４Ａｂ 周期部位
４Ｂａ 凸部
４Ｂｂ 凹部
５ 導波路コア
６ クラッド
１０ 高屈折率部材
１１ 低屈折率部位
１１ａ 低屈折率部位（円孔）
１１ｂ 低屈折率部位（円孔）
１２ 格子配列
１３，１３Ａ，１３Ｂ 直線配列
１４Ａ，１４Ｂ 格子配列
１５Ａ，１５Ｂ 格子配列
１６Ａ，１６Ｂ 周期部位
１０１ 高屈折率部材
１０１Ａ，１０１Ｂ 光偏向デバイス
１０２ フォトニック結晶導波路
１０３ 表面回折格子
１０５ 導波路コア
１０６ クラッド
１１０ 高屈折率材料
１１１ 低屈折率部位（円孔）
１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ 円孔
１１２ 格子配列

Claims (10)

1. 高屈折率部材の面内に低屈折率部位が周期的に格子配列されたフォトニック結晶導波路と、
   前記フォトニック結晶導波路の導波路コアの伝搬光を偏向させ外部に放射光ビームを放射する回折機構とを備え、
   前記回折機構は、前記導波路コアの長さ方向に沿って配列された複数の周期部位を備え、各周期部位は前記導波路コアの長さ方向に対して鋭角又は鈍角に配置される、光偏向デバイス。
2. 前記フォトニック結晶導波路及び前記回折機構は、高屈折率部材の面内に導波路コアの長さ方向に沿って２種類の異なる大きさの低屈折率部位が周期配列された二重周期構造の格子配列を備え、
   前記回折機構は、前記二重周期構造の格子配列において、それぞれ同じ大きさの低屈折率部位が周期配列された２種類の周期部位を備え、
   前記２種類の周期部位は前記導波路コアの長さ方向に沿って交互に配列され、前記導波路コアの長さ方向に対して鋭角又は鈍角に配置される、請求項１に記載の光偏向デバイス。
3. 前記回折機構の各周期部位の配置は、前記導波路コアの長さ方向に対してＶ字形状又は逆Ｖ字形状である、請求項２に記載の光偏向デバイス。
4. 前記フォトニック結晶導波路の格子配列において、
   前記導波路コアの長さ方向に沿って配列された２種類の異なる大きさの低屈折率部位が周期配列された格子配列の内、前記導波路コアに近傍の複数列の格子配列は二重周期構造であり、残りの格子配列は同じ大きさの低屈折率部位が周期配列された周期構造である、請求項３に記載の光偏向デバイス。
5. 前記回折機構の各周期部位において、
   前記導波路コアを中心にして、一方の側の周期部位は前記導波路コアの長さ方向に対して鋭角に配置され、他方の側の周期部位は前記導波路コアの長さ方向に対して鈍角に配置される、請求項２に記載の光偏向デバイス。
6. 前記二重周期構造において、前記導波路コアの長さ方向に並ぶ低屈折率部位の直線配列において、前記導波路コアに対して対称の位置にある２つの直線配列は他の直線配列に対して導波路コアの長さ方向に位置ずれした配列である、請求項２から４の何れか一つに記載の光偏向デバイス。
7. 前記各周期部位は、それぞれの周期部位において、当該低屈折率部位の大きさが低屈折率部位の配列方向に沿って順に増加又は減少する、請求項２から４の何れか一つに記載の光偏向デバイス。
8. 前記フォトニック結晶導波路は、高屈折率部材の面内に導波路コアの長さ方向に沿って同じ大きさの低屈折率部位が周期配列された周期構造の格子配列を備え、
   前記回折機構は、
   前記フォトニック結晶導波路の格子配列上に配置された表面回折格子であり、
   前記表面回折格子が備える周期部位は凹凸配列であり、各周期部位は前記導波路コアに対して鋭角又は鈍角に配置される、請求項１に記載の光偏向デバイス。
9. 前記回折機構の各周期部位の配置は、前記導波路コアの長さ方向に対してＶ字形状又は逆Ｖ字形状である、請求項８に記載の光偏向デバイス。
10. 前記回折機構の各周期部位は、前記導波路コアを中心にして、一方の側の周期部位は前記導波路コアの長さ方向に対して鋭角に配置され、他方の側の周期部位は前記導波路コアの長さ方向に対して鈍角に配置される、請求項８に記載の光偏向デバイス。

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