WO2022044938A1

WO2022044938A1 - 光デバイスおよび光検出システム

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Publication number: WO2022044938A1
Application number: PCT/JP2021/030304
Authority: WO
Inventors: 幸生野村; 和樹中村; 安寿稲田
Original assignee: パナソニックＩｐマネジメント株式会社
Priority date: 2020-08-31
Filing date: 2021-08-19
Publication date: 2022-03-03
Also published as: JPWO2022044938A1; US20230185118A1; CN116261670A

Abstract

光デバイスは、第１表面を有する第１構造体と、前記第１表面に対向する第２表面を有する第２構造体と、前記第１構造体の前記第１表面と前記第２構造体の前記第２表面との間に位置し、液晶材料を含む１つ以上の光導波領域と、前記第１表面に設けられ、前記液晶材料を配向させるラビング配向膜である第１配向膜と、を備え、（Ａ）前記第２表面は、いずれの配向膜も介することなく前記液晶材料に接触する、または（Ｂ）前記第２表面に設けられ、ラビング配向膜以外の配向膜であり、前記液晶材料を配向させる第２配向膜をさらに備える。

Description

光デバイスおよび光検出システム

　本開示は、光デバイスおよび光検出システムに関する。

　従来、光で空間を走査（スキャン）できる種々のデバイスが提案されている。

　特許文献１は、ミラーを回転させる駆動装置を用いて、光によるスキャンを行うことができる構成を開示している。

　特許文献２は、２次元的に配列された複数のナノフォトニックアンテナ素子を有する光フェーズドアレイを開示している。それぞれのアンテナ素子は可変光遅延線（すなわち、位相シフタ）に光学的に結合される。この光フェーズドアレイでは、コヒーレント光ビームが導波路によってそれぞれのアンテナ素子に誘導され、位相シフタによって光ビームの位相がシフトされる。これにより、遠視野放射パターンの振幅分布を変化させることができる。

　特許文献３は、内部を光が導波する光導波層、および光導波層の上面および下面に形成された第１分布ブラッグ反射鏡を備える導波路と、導波路内に光を入射させるための光入射口と、光入射口から入射して導波路内を導波する光を出射させるために導波路の表面に形成された光出射口とを備える光偏向素子を開示している。

国際公開第２０１３／１６８２６６号特表２０１６－５０８２３５号公報特開２０１３－１６５９１号公報特開２００１－１００２１４号公報

　本開示の一態様は、比較的簡単な構成で、光損失が少ない光デバイスを提供する。

　本開示の一態様に係る光デバイスは、第１表面を有する第１構造体と、前記第１表面に対向する第２表面を有する第２構造体と、前記第１構造体の前記第１表面と前記第２構造体の前記第２表面との間に位置し、液晶材料を含む１つ以上の光導波領域と、前記第１表面に設けられ、前記液晶材料を配向させるラビング配向膜である第１配向膜と、を備え、（Ａ）前記第２表面は、いずれの配向膜も介することなく前記液晶材料に接触する、または（Ｂ）前記第２表面に設けられ、ラビング配向膜以外の配向膜であり、前記液晶材料を配向させる第２配向膜をさらに備える。

　本開示の包括的または具体的な態様は、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムまたはコンピュータ読み取り可能な記録ディスク等の記録媒体で実現されてもよく、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意の組み合わせで実現されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、例えばＣＤ－ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ　Ｄｉｓｃ‐Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）等の不揮発性の記録媒体を含み得る。装置は、１つ以上の装置で構成されてもよい。装置が２つ以上の装置で構成される場合、当該２つ以上の装置は、１つの機器内に配置されてもよく、分離した２つ以上の機器内に分かれて配置されてもよい。本明細書および特許請求の範囲では、「装置」とは、１つの装置を意味し得るだけでなく、複数の装置からなるシステムも意味し得る。

　本開示の一態様によれば、比較的簡単な構成で、光損失が少ない光デバイスを実現することができる。

図１は、光スキャンデバイスの構成を模式的に示す斜視図である。図２は、１つの導波路素子の断面の構造および伝搬する光の例を模式的に示す図である。図３Ａは、導波路アレイの出射面に垂直な方向に光を出射する導波路アレイの断面を示す図である。図３Ｂは、導波路アレイの出射面に垂直な方向とは異なる方向に光を出射する導波路アレイの断面を示す図である。図４は、３次元空間における導波路アレイを模式的に示す斜視図である。図５は、導波路アレイおよび位相シフタアレイを、光出射面の法線方向（Ｚ方向）から見た模式図である。図６Ａは、本開示の実施形態１による光デバイスの例を模式的に示す平面図である。図６Ｂは、図６Ａから上部の構成要素を除いた状態を示す図である。図７Ａは、図６ＡのＶＩＩＡ－ＶＩＩＡ線断面図である。図７Ｂは、図６ＡのＶＩＩＢ－ＶＩＩＢ線断面図である。図７Ｃは、図６ＡのＶＩＩＣ－ＶＩＩＣ線断面図である。図８Ａは、本開示の実施形態２による光デバイスの例を模式的に示す断面図である。図８Ｂは、本開示の実施形態２による光デバイスの例を模式的に示す断面図である。図８Ｃは、本開示の実施形態２による光デバイスの例を模式的に示す断面図である。図９Ａは、実施形態２における第２配向膜を説明するための図である。図９Ｂは、実施形態２における第２配向膜を説明するための図である。図９Ｃは、実施形態２における第２配向膜を説明するための図である。図９Ｄは、実施形態２における第２配向膜を説明するための図である。図９Ｅは、実施形態２における第２配向膜を説明するための図である。図１０Ａは、実施形態１による光デバイスから光が出射される様子を模式的に示す図である。図１０Ｂは、実施形態２による光デバイスから光が出射される様子を模式的に示す図である。図１１Ａは、本開示の実施形態２の変形例による光デバイスの例を模式的に示す平面図である。図１１Ｂは、図１１Ａから上部の構成要素を除いた状態を示す図である。図１２Ａは、図１１ＡのＸＩＩＡ－ＸＩＩＡ線断面図である。図１２Ｂは、図１１ＡのＸＩＩＢ－ＸＩＩＢ線断面図である。図１２Ｃは、図１１ＡのＸＩＩＣ－ＸＩＩＣ線断面図である。図１３は、回路基板上に光分岐器、導波路アレイ、位相シフタアレイ、および光源などの素子を集積した光スキャンデバイスの構成例を示す図である。図１４は、光スキャンデバイスから遠方にレーザーなどの光ビームを照射して２次元スキャンを実行している様子を示す模式図である。図１５は、測距画像を生成することが可能なＬｉＤＡＲシステムの構成例を示すブロック図である。

　以下で説明される実施形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、およびステップの順序は、一例であり、本開示の技術を限定する趣旨ではない。以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。さらに、各図において、実質的に同一または類似の構成要素には同一の符号が付されている。重複する説明は省略または簡略化されることがある。

　（本開示の基礎となった知見）
　本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。

　本発明者は、従来の光スキャンデバイスには、装置の構成を複雑にすることなく、光で空間をスキャンすることが困難であるという課題があることを見出した。

　例えば、特許文献１に開示されている技術では、ミラーを回転させる駆動装置が必要である。このため、装置の構成が複雑になり、振動に対してロバストでないという課題がある。

　特許文献２に記載の光フェーズドアレイでは、光を分岐して複数の列導波路および複数の行導波路に導入し、２次元的に配列された複数のアンテナ素子に光を誘導する必要がある。このため、光を誘導するための導波路の配線が非常に複雑になる。また、２次元スキャンの範囲を大きくすることができない。さらに、遠視野における出射光の振幅分布を２次元的に変化させるためには、２次元的に配列された複数のアンテナ素子の各々に位相シフタを接続し、位相シフタに位相制御用の配線を取り付ける必要がある。これにより、２次元的に配列された複数のアンテナ素子に入射する光の位相をそれぞれ異なる量変化させる。このため、素子の構成が非常に複雑になる。

　本発明者は、従来技術における上記の課題に着目し、これらの課題を解決するための構成を検討した。本発明者は、対向する一対のミラーと、それらのミラーに挟まれた光導波層とを有する導波路素子を用いることにより、上記の課題を解決し得ることを見出した。導波路素子における一対のミラーの一方は、他方に比べて高い光透過率を有し、光導波層を伝搬する光の一部を外部に出射させる。出射した光の方向（または出射角度）は、後述するように、光導波層の屈折率もしくは厚さ、または光導波層に入力される光の波長を調整することにより、変化させることができる。より具体的には、屈折率、厚さ、または波長を変化させることにより、出射光の波数ベクトル（ｗａｖｅ　ｖｅｃｔｏｒ）の、光導波層の長手方向に沿った方向の成分を変化させることができる。これにより、１次元的なスキャンが実現される。

　さらに、複数の導波路素子のアレイを用いた場合には、２次元的なスキャンを実現することもできる。より具体的には、複数の導波路素子に供給する光に適切な位相差を与え、その位相差を調整することにより、複数の導波路素子から出射する光が強め合う方向を変化させることができる。位相差の変化により、出射光の波数ベクトルの、光導波層の長手方向に沿った方向に交差する方向の成分が変化する。これにより、２次元的なスキャンを実現することができる。なお、２次元的なスキャンを行う場合でも、複数の光導波層の屈折率、厚さ、または光の波長を異なる量変化させる必要はない。すなわち、複数の光導波層に供給する光に適切な位相差を与え、かつ、複数の光導波層の屈折率、厚さ、および波長の少なくとも１つを同期して同量変化させることにより、２次元的なスキャンを行うことができる。このように、本開示の実施形態によれば、比較的簡単な構成で、光による２次元スキャンを実現することができる。

　本明細書において、「屈折率、厚さ、および波長の少なくとも１つ」とは、光導波層の屈折率、光導波層の厚さ、および光導波層に入力される波長からなる群から選択される少なくとも１つを意味する。光の出射方向を変化させるために、屈折率、厚さ、および波長のいずれか１つを単独で制御してもよい。あるいは、これらの３つのうちの任意の２つまたはすべてを制御して光の出射方向を変化させてもよい。以下の各実施形態において、屈折率または厚さの制御に代えて、または加えて、光導波層に入力される光の波長を制御してもよい。

　以上の基本原理は、光を出射する用途だけでなく、光信号を受信する用途にも同様に適用できる。屈折率、厚さ、および波長の少なくとも１つを変化させることにより、受信できる光の方向を１次元的に変化させることができる。さらに、一方向に配列された複数の導波路素子にそれぞれ接続された複数の位相シフタによって光の位相差を変化させれば、受信できる光の方向を２次元的に変化させることができる。

　本開示の実施形態による光スキャンデバイスおよび光受信デバイスは、例えば、ＬｉＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｒａｎｇｉｎｇ）システムなどの光検出システムにおけるアンテナとして用いられ得る。ＬｉＤＡＲシステムは、ミリ波などの電波を用いたレーダシステムと比較して、短波長の電磁波（可視光、赤外線、または紫外線）を用いるため、高い分解能で物体の距離分布を検出することができる。そのようなＬｉＤＡＲシステムは、例えば自動車、ＵＡＶ（Ｕｎｍａｎｎｅｄ　Ａｅｒｉａｌ　Ｖｅｈｉｃｌｅ、所謂ドローン）、ＡＧＶ（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ　Ｇｕｉｄｅｄ　Ｖｅｈｉｃｌｅ）などの移動体に搭載され、衝突回避技術の１つとして使用され得る。本明細書において、光スキャンデバイスと光受信デバイスを「光デバイス」と総称することがある。また、光スキャンデバイスまたは光受信デバイスに使用されるデバイスについても「光デバイス」と称することがある。

　以下、光デバイスの基本的な構成例およびその動作原理を説明する。

　＜光スキャンデバイスの基本的な構成例＞
　以下、一例として、２次元スキャンを行う光スキャンデバイスの構成を説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明を省略することがある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。

　本開示において、「光」とは、可視光（波長が約４００ｎｍ～約７００ｎｍ）だけでなく、紫外線（波長が約１０ｎｍ～約４００ｎｍ）および赤外線（波長が約７００ｎｍ～約１ｍｍ）を含む電磁波を意味する。本明細書において、紫外線を「紫外光」と称し、赤外線を「赤外光」と称することがある。

　本開示において、光による「スキャン」とは、光の方向を変化させることを意味する。「１次元スキャン」とは、光の方向を、当該方向に交差する方向に沿って直線的に変化させることを意味する。「２次元スキャン」とは、光の方向を、当該方向に交差する平面に沿って２次元的に変化させることを意味する。

　図１は、光スキャンデバイス１００の構成を模式的に示す斜視図である。光スキャンデバイス１００は、複数の導波路素子１０を含む導波路アレイを備える。複数の導波路素子１０の各々は、第１の方向（図１におけるＸ方向）に延びた形状を有する。複数の導波路素子１０は、第１の方向に交差する第２の方向（図１におけるＹ方向）に規則的に配列されている。複数の導波路素子１０は、第１の方向に光を伝搬させながら、第１および第２の方向に平行な仮想的な平面に交差する第３の方向Ｄ３に光を出射させる。本実施形態では、第１の方向（Ｘ方向）と第２の方向（Ｙ方向）とが直交しているが、両者が直交していなくてもよい。本実施形態では、複数の導波路素子１０がＹ方向に等間隔で並んでいるが、必ずしも等間隔に並んでいる必要はない。

　なお、本願の図面に示される構造物の向きは、説明のわかりやすさを考慮して設定されており、本実施形態が現実に実施されるときの向きをなんら制限するものではない。また、図面に示されている構造物の全体または一部分の形状および大きさも、現実の形状および大きさを制限するものではない。

　複数の導波路素子１０のそれぞれは、互いに対向する第１ミラー３０および第２ミラー４０と、ミラー３０とミラー４０の間に位置する光導波層２０とを有する。ミラー３０およびミラー４０の各々は、第３の方向Ｄ３に交差する反射面を、光導波層２０との界面に有する。ミラー３０およびミラー４０、ならびに光導波層２０は、第１の方向（Ｘ方向）に延びた形状を有している。

　なお、後述するように、複数の導波路素子１０の複数の第１ミラー３０は、一体に構成されたミラーの複数の部分であってもよい。また、複数の導波路素子１０の複数の第２ミラー４０は、一体に構成されたミラーの複数の部分であってもよい。さらに、複数の導波路素子１０の複数の光導波層２０は、一体に構成された光導波層の複数の部分であってもよい。少なくとも、（１）各第１ミラー３０が他の第１ミラー３０と別体に構成されているか、（２）各第２ミラー４０が他の第２ミラー４０と別体に構成されているか、（３）各光導波層２０が他の光導波層２０と別体に構成されていることにより、複数の導波路を形成することができる。「別体に構成されている」とは、物理的に空間を隔てて配置されていることのみならず、間に屈折率が異なる材料を隔てて分離されていることも含む。

　第１ミラー３０の反射面と第２ミラー４０の反射面とはほぼ平行に対向している。２つのミラー３０および４０のうち、少なくとも第１ミラー３０は、光導波層２０を伝搬する光の一部を透過させる特性を有する。言い換えれば、第１ミラー３０は、当該光について、第２ミラー４０よりも高い光透過率を有する。このため、光導波層２０を伝搬する光の一部は、第１ミラー３０から外部に出射される。このようなミラー３０および４０は、例えば誘電体による多層膜（「多層反射膜」と称することもある。）によって形成される多層膜ミラーであり得る。

　それぞれの導波路素子１０に入力する光の位相を制御し、さらに、これらの導波路素子１０における光導波層２０の屈折率もしくは厚さ、または光導波層２０に入力される光の波長を同期して同時に変化させることにより、光による２次元スキャンを実現することができる。

　本発明者は、そのような２次元スキャンを実現するために、導波路素子１０の動作原理について分析を行った。その結果に基づき、複数の導波路素子１０を同期して駆動することで、光による２次元スキャンを実現することに成功した。

　図１に示すように、各導波路素子１０に光を入力すると、各導波路素子１０の出射面から光が出射される。出射面は、第１ミラー３０の反射面の反対側に位置する。その出射光の方向Ｄ３は、光導波層の屈折率、厚さ、および光の波長に依存する。本実施形態では、各導波路素子１０から出射される光が概ね同じ方向になるように、各光導波層の屈折率、厚さ、および波長の少なくとも１つが同期して制御される。これにより、複数の導波路素子１０から出射される光の波数ベクトルのＸ方向の成分を変化させることができる。言い換えれば、出射光の方向Ｄ３を、図１に示される方向１０１に沿って変化させることができる。

　さらに、複数の導波路素子１０から出射される光は同じ方向を向いているので、出射光は互いに干渉する。それぞれの導波路素子１０から出射される光の位相を制御することにより、干渉によって光が強め合う方向を変化させることができる。例えば、同じサイズの複数の導波路素子１０がＹ方向に等間隔で並んでいる場合、複数の導波路素子１０には、一定量ずつ位相の異なる光が入力される。その位相差を変化させることにより、出射光の波数ベクトルの、Ｙ方向の成分を変化させることができる。言い換えれば、複数の導波路素子１０に導入される光の位相差をそれぞれ変化させることにより、干渉によって出射光が強め合う方向Ｄ３を、図１に示される方向１０２に沿って変化させることができる。これにより、光による２次元スキャンを実現することができる。

　以下、光スキャンデバイス１００の動作原理を説明する。

　＜導波路素子の動作原理＞
　図２は、１つの導波路素子１０の断面の構造および伝搬する光の例を模式的に示す図である。図２では、図１に示すＸ方向およびＹ方向に垂直な方向をＺ方向とし、導波路素子１０のＸＺ面に平行な断面が模式的に示されている。導波路素子１０において、第１ミラー３０と第２ミラー４０が光導波層２０を挟むように配置されている。第１ミラー３０は第１反射面３０ｓを有する。第２ミラー４０は、第１反射面３０ｓに対向する第２反射面４０ｓを有する。光導波層２０のＸ方向における一端から導入された光２０Ｌは、光導波層２０の上面（図２における上側の表面）に設けられた第１ミラー３０の第１反射面３０ｓ、および下面（図２における下側の表面）に設けられた第２ミラー４０の第２反射面４０ｓによって反射を繰り返しながら光導波層２０内を伝搬する。第１ミラー３０の光透過率は第２ミラー４０の光透過率よりも高い。このため、主に第１ミラー３０から光の一部を出力することができる。

　一般的な光ファイバなどの導波路では、全反射を繰り返しながら光が導波路に沿って伝搬する。これに対して、本実施形態における導波路素子１０では、光は光導波層２０の上下に配置されたミラー３０および４０によって反射を繰り返しながら伝搬する。このため、光の伝搬角度に制約がない。ここで光の伝搬角度とは、ミラー３０またはミラー４０と光導波層２０との界面への入射角度を意味する。ミラー３０またはミラー４０に対して、より垂直に近い角度で入射する光も伝搬できる。すなわち、全反射の臨界角よりも小さい角度で界面に入射する光も伝搬できる。このため、光の伝搬方向における光の群速度は自由空間における光速に比べて大きく低下する。これにより、導波路素子１０は、光の波長、光導波層２０の厚さ、および光導波層２０の屈折率の変化に対して光の伝搬条件が大きく変化するという性質を持つ。このような導波路を、「反射型導波路」または「スローライト導波路」と称する。

　導波路素子１０から空気中に出射される光の出射角度θは、以下の式（１）によって表される。

　式（１）からわかるように、空気中での光の波長λ、光導波層２０の屈折率ｎ_ｗおよび光導波層２０の厚さｄのいずれかを変えることで光の出射方向を変えることができる。

　例えば、ｎ_ｗ＝２、ｄ＝３８７ｎｍ、λ＝１５５０ｎｍ、ｍ＝１の場合、出射角度は０°である。この状態から、屈折率をｎ_ｗ＝２．２に変化させると、出射角度は約６６°に変化する。一方、屈折率を変えずに厚さをｄ＝４２０ｎｍに変化させると、出射角度は約５１°に変化する。屈折率も厚さも変化させずに波長をλ＝１５００ｎｍに変化させると、出射角度は約３０°に変化する。このように、光の波長λ、光導波層２０の屈折率ｎ_ｗ、および光導波層２０の厚さｄのいずれかを変えることにより、光の出射方向を大きく変えることができる。

　そこで、光スキャンデバイス１００は、光導波層２０に入力される光の波長λ、光導波層２０の屈折率ｎ_ｗ、および光導波層２０の厚さｄの少なくとも１つを制御することにより、光の出射方向を制御する。光の波長λは、動作中に変化させず、一定に維持されてもよい。その場合、よりシンプルな構成で光のスキャンを実現できる。波長λは、特に限定されない。例えば、波長λは、一般的なシリコン（Ｓｉ）により光を吸収することで光を検出するフォトディテクタまたはイメージセンサで高い検出感度が得られる４００ｎｍから１１００ｎｍ（すなわち可視光から近赤外光）の波長域に含まれ得る。他の例では、波長λは、光ファイバまたはＳｉ導波路において伝送損失の比較的小さい１２６０ｎｍから１６２５ｎｍの近赤外光の波長域に含まれ得る。なお、これらの波長範囲は一例である。使用される光の波長域は、可視光または赤外光の波長域に限定されず、例えば紫外光の波長域であってもよい。

　出射光の方向を変化させるために、光スキャンデバイス１００は、各導波路素子１０における光導波層２０の屈折率、厚さ、および波長の少なくとも１つを変化させる第１調整素子を備え得る。

　以上のように、導波路素子１０を用いれば、光導波層２０の屈折率ｎ_ｗ、厚さｄ、および波長λの少なくとも１つを変化させることにより、光の出射方向を大きく変えることができる。これにより、ミラー３０から出射される光の出射角度を、導波路素子１０に沿った方向に変化させることができる。少なくとも１つの導波路素子１０を用いることにより、このような１次元のスキャンを実現することができる。

　光導波層２０の少なくとも一部の屈折率を調整するために、光導波層２０は、液晶材料または電気光学材料を含んでいてもよい。光導波層２０は、一対の電極によって挟まれ得る。一対の電極に電圧を印加することにより、光導波層２０の屈折率を変化させることができる。

　光導波層２０の厚さを調整するために、例えば、第１ミラー３０および第２ミラー４０の少なくとも一方に少なくとも１つのアクチュエータが接続されてもよい。少なくとも１つのアクチュエータによって第１ミラー３０と第２ミラー４０との距離を変化させることにより、光導波層２０の厚さを変化させることができる。光導波層２０が液体から形成されていれば、光導波層２０の厚さは容易に変化し得る。

　＜２次元スキャンの動作原理＞
　複数の導波路素子１０が一方向に配列された導波路アレイにおいて、それぞれの導波路素子１０から出射される光の干渉により、光の出射方向は変化する。各導波路素子１０に供給する光の位相を調整することにより、光の出射方向を変化させることができる。以下、その原理を説明する。

　図３Ａは、導波路アレイの出射面に垂直な方向に光を出射する導波路アレイの断面を示す図である。図３Ａには、各導波路素子１０を伝搬する光の位相シフト量も記載されている。ここで、位相シフト量は、左端の導波路素子１０を伝搬する光の位相を基準にした値である。本実施形態における導波路アレイは、等間隔に配列された複数の導波路素子１０を含んでいる。図３Ａにおいて、破線の円弧は、各導波路素子１０から出射される光の波面を示している。直線は、光の干渉によって形成される波面を示している。矢印は、導波路アレイから出射される光の方向（すなわち、波数ベクトルの方向）を示している。図３Ａの例では、各導波路素子１０における光導波層２０を伝搬する光の位相はいずれも同じである。この場合、光は導波路素子１０の配列方向（Ｙ方向）および光導波層２０が延びる方向（Ｘ方向）の両方に垂直な方向（Ｚ方向）に出射される。

　図３Ｂは、導波路アレイの出射面に垂直な方向とは異なる方向に光を出射する導波路アレイの断面を示す図である。図３Ｂに示す例では、複数の導波路素子１０における光導波層２０を伝搬する光の位相が、配列方向に一定量（Δφ）ずつ異なっている。この場合、光は、Ｚ方向とは異なる方向に出射される。このΔφを変化させることにより、光の波数ベクトルのＹ方向の成分を変化させることができる。隣り合う２つの導波路素子１０の間の中心間距離をｐとすると、光の出射角度α_０は、以下の式（２）によって表される。

　図２に示す例において、光の出射方向は、ＸＺ平面に平行である。すなわち、α_０＝０°である。図３Ａおよび図３Ｂに示す例において、光スキャンデバイス１００から出射される光の方向は、ＹＺ平面に平行である。すなわち、θ＝０°である。しかし、一般に、光スキャンデバイス１００から出射される光の方向は、ＸＺ平面にも、ＹＺ平面にも平行ではない。すなわち、θ≠０°およびα_０≠０°である。

　図４は、３次元空間における導波路アレイを模式的に示す斜視図である。図４に示す太い矢印は、光スキャンデバイス１００から出射される光の方向を表す。θは、光の出射方向とＹＺ平面とがなす角度である。θは式（１）を満たす。α_０は、光の出射方向とＸＺ平面とがなす角度である。α_０は式（２）を満たす。

　＜導波路アレイに導入する光の位相制御＞
　それぞれの導波路素子１０から出射される光の位相を制御するために、例えば、導波路素子１０に光を導入する前段に、光の位相を変化させる位相シフタが設けられ得る。光スキャンデバイス１００は、複数の導波路素子１０のそれぞれに接続された複数の位相シフタと、各位相シフタを伝搬する光の位相を調整する第２調整素子とを備える。各位相シフタは、複数の導波路素子１０の対応する１つにおける光導波層２０に直接的にまたは他の導波路を介して繋がる導波路を含む。第２調整素子は、複数の位相シフタから複数の導波路素子１０へ伝搬する光の位相の差をそれぞれ変化させることにより、複数の導波路素子１０から出射される光の方向（すなわち、第３の方向Ｄ３）を変化させる。以下の説明では、導波路アレイと同様に、配列された複数の位相シフタを「位相シフタアレイ」とも称する。

　図５は、導波路アレイ１０Ａおよび位相シフタアレイ８０Ａを、光出射面の法線方向（Ｚ方向）から見た模式図である。図５に示される例では、すべての位相シフタ８０が同じ伝搬特性を有し、すべての導波路素子１０が同じ伝搬特性を有する。それぞれの位相シフタ８０およびそれぞれの導波路素子１０は同じ長さであってもよいし、長さが異なっていてもよい。それぞれの位相シフタ８０の長さが等しい場合は、例えば、駆動電圧によってそれぞれの位相シフト量を調整することができる。また、それぞれの位相シフタ８０の長さを等ステップで変化させた構造にすることにより、同じ駆動電圧で等ステップの位相シフトを与えることもできる。さらに、この光スキャンデバイス１００は、複数の位相シフタ８０に光を分岐して供給する光分岐器９０と、各導波路素子１０を駆動する第１駆動回路７０ａと、各位相シフタ８０を駆動する第２駆動回路７０ｂとをさらに備える。図５における直線の矢印は光の入力を示している。別々に設けられた第１駆動回路７０ａと第２駆動回路７０ｂとをそれぞれ独立に制御することにより、２次元スキャンを実現できる。この例では、第１駆動回路７０ａは、第１調整素子の１つの要素として機能し、第２駆動回路７０ｂは、第２調整素子の１つの要素として機能する。

　第１駆動回路７０ａは、各導波路素子１０における光導波層２０の屈折率および厚さの少なくとも一方を変化させることにより、光導波層２０から出射する光の角度を変化させる。第２駆動回路７０ｂは、各位相シフタ８０における導波路２０の屈折率を変化させることにより、導波路２０の内部を伝搬する光の位相を変化させる。光分岐器９０は、全反射によって光が伝搬する導波路で構成してもよいし、導波路素子１０と同様の反射型導波路で構成してもよい。

　なお、光分岐器９０で分岐したそれぞれの光に対して位相を制御した後に、それぞれの光を位相シフタ８０に導入してもよい。この位相制御には、例えば、位相シフタ８０に至るまでの導波路の長さを調整することによるパッシブな位相制御構造を用いることができる。あるいは、位相シフタ８０と同様の機能を有する電気信号で制御可能な位相シフタを用いても良い。このような方法により、例えば、すべての位相シフタ８０に等位相の光が供給されるように、位相シフタ８０に導入される前に位相を調整してもよい。そのような調整により、第２駆動回路７０ｂによる各位相シフタ８０の制御をシンプルにすることができる。

　上記の光スキャンデバイス１００と同様の構成を有する光デバイスは、光受信デバイスとしても利用できる。光デバイスの動作原理、および動作方法などの詳細は、米国特許出願公開第２０１８／０２２４７０９号に開示されている。この文献の開示内容の全体を本明細書に援用する。

　＜液晶配向膜＞
　光導波層２０が液晶材料を含む場合、ミラー３０の反射面３０ｓおよびミラー４０の反射面４０ｓには、液晶材料における液晶分子の長軸を特定の方向に配向させる配向膜が設けられ得る。配向膜は、例えばポリイミドなどの、比較的高い配向規制力を実現し得る材料から形成され得る。配向膜の配向方向は、例えばラビングによって規定され得る。ポリイミド等の材料をラビング処理することによって形成された配向膜は厚く、かつその厚さは不均一である。そのような配向膜に光が入射すると、光の吸収および散乱が生じる。図２に示すように、光が多重反射して光導波層２０をＸ方向に沿って伝搬すると、光は上下の配向膜に何回も吸収および散乱される。その結果、光導波層２０では、無視できないほどの光損失が生じ得る。本発明者の検討によれば、この光損失は５０％程度になる。

　本発明者らは、上記の課題を解決するため、以下に説明する本開示の実施形態の構成に想到した。本開示のある実施形態による光デバイスは、前述の第１ミラー等を含む第１構造体と、前述の第２ミラー等を含む第２構造体とを組み合わせることによって作製され得る。第１構造体の表面（以下、「第１表面」とも称する。）と第２構造体の表面（以下、「第２表面」とも称する。）との間に、前述の光導波層に相当する領域が形成される。当該領域を「光導波領域」と称する。光導波領域は、例えば液晶材料から形成され得る。光導波領域は、液晶材料以外の材料を含んでいてもよい。ある実施形態において、第１表面には、ラビングによって液晶材料の配向方向が規定される第１配向膜が設けられる一方、第２表面には配向膜が設けられない。したがって、無視できない光損失を生じさせる配向膜が第１表面および第２表面の両方に設けられる構成と比較して、伝搬光の損失を抑制することができる。他の実施形態において、第１表面には、ラビングによって配向方向が規定される第１配向膜が設けられる一方、第２表面には、ラビングによらずに配向方向が規定される第２配向膜が設けられる。第２配向膜は、例えば珪素（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）とのシロキサン結合を介して第２表面に結合された配向膜（例えば、特許文献４参照）であり得る。第２配向膜の配向方向は、例えば偏光の照射によって規定され得る。第２配向膜による光損失は無視できるほど小さい。したがって、ラビング配向膜が第１表面および第２表面の両方に設けられる構成と比較して、伝搬光の損失を抑制することができる。第１配向膜の他に第２配向膜が加わることにより、液晶材料の配向方向をより均一にすることができる。以下に、本開示の実施形態による光デバイスおよび光検出システムを簡単に説明する。

　第１の項目に係る光デバイスは、第１表面を有する第１構造体と、前記第１表面に対向する第２表面を有する第２構造体と、前記第１構造体の前記第１表面と前記第２構造体の前記第２表面との間に位置し、液晶材料を含む１つ以上の光導波領域と、前記第１表面に設けられ、前記液晶材料を配向させるラビング配向膜である第１配向膜と、を備える。（Ａ）前記第２表面は、いずれの配向膜も介することなく前記液晶材料に接触する。または（Ｂ）前記光デバイスは、前記第２表面に設けられ、ラビング配向膜以外の配向膜であり、前記液晶材料を配向させる第２配向膜をさらに備える。

　この光デバイスでは、光導波領域を伝搬する光の損失を抑制することができる。

　第２の項目に係る光デバイスは、第１の項目に係る光デバイスにおいて、前記第２配向膜が、偏光の照射によって形成された光配向膜である。

　この光デバイスでは、ラビングによらずに配向膜の配向方向を規定することができる。

　第３の項目に係る光デバイスは、第１または第２の項目に係る光デバイスにおいて、前記第２配向膜が、シロキサン結合を介して前記第２表面に結合した材料を含む膜である。

　この光デバイスでは、シロキサン結合によって第２配向膜の密着性および被覆率を向上させることができる。

　第４の項目に係る光デバイスは、第３の項目に係る光デバイスにおいて、前記膜が単分子膜である。

　この光デバイスでは、単分子膜での光の損失を実質的に無視することができる。

　第５の項目に係る光デバイスは、第１から第４の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記第２表面が、１μｍ以上１０μｍ以下の深さを有する１つ以上の凹部を有する。前記液晶材料は前記１つ以上の凹部を覆う。

　この光デバイスでは、凹部が１μｍ以上１０μｍ以下の深さを有していても、第１配向膜によって液晶材料を配向させることができる。

　第６の項目に係る光デバイスは、第５の項目に係る光デバイスにおいて、前記１つ以上の凹部が複数の凹部であり、前記１つ以上の光導波領域が複数の光導波領域である。前記複数の光導波領域の各々は、前記複数の凹部の各々を覆う。

　この光デバイスでは、複数の光導波領域に光を伝搬させることができる。

　第７の項目に係る光デバイスは、第１から第６の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記第１表面が、平坦な面、または１μｍ未満の高低差を有する起伏した面である。前記液晶材料は、前記平坦な面または前記起伏した面を覆う。

　この光デバイスでは、起伏の少ない第１表面に、ラビングによって配向方向が規定された配向膜を設けることができる。

　第８の項目に係る光デバイスは、第１から第７の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記第１構造体が、前記第１表面を有する第１ミラーを含み、前記第２構造体が、前記第２表面を有する第２ミラーを含む。

　この光デバイスでは、第１ミラーおよび第２ミラーによる反射により、全反射の臨界角にかかわらず光を光導波領域に伝搬させることができる。

　第９の項目に係る光デバイスは、第８の項目に係る光デバイスにおいて、前記第１ミラーおよび前記第２ミラーが、何れも誘電体多層膜から形成されている。

　この光デバイスでは、金属を含まず誘電体多層膜から形成されたミラーにより、光を実質的に損失させずに反射させることができる。

　第１０の項目に係る光デバイスは、第９の項目に係る光デバイスにおいて、前記第１ミラーが、前記第２ミラーよりも高い光透過率を有する。

　この光デバイスでは、第１ミラーを介して光導波路領域を伝搬する光を外部に出射させることができる。

　第１１の項目に係る光デバイスは、第１０の項目に係る光デバイスにおいて、前記第１構造体が、第１電極を含み、前記第２構造体が、前記第１電極に対向する第２電極を含む。前記１つ以上の光導波領域は、前記第１電極と前記第２電極との間に位置する。前記第１電極および前記第２電極に印加される電圧を変化させることにより、前記１つ以上の光導波領域から前記第１構造体を介して出射する光の方向、または、前記第１構造体を介して前記１つ以上の光導波領域に取り込まれる光の入射方向が変化する。

　この光デバイスでは、第１電極と第２電極との間に電圧を印加することにより、特定の箇所に位置する外部の対象物に向けて光を出射したり、当該対象物で反射した光を受信したりすることができる。

　第１２の項目に係る光デバイスは、第１の項目に係る光デバイスにおいて、前記１つ以上の光導波領域に、直接的にまたは他の導波路を介して繋がる複数の位相シフタをさらに備える。

　この光デバイスでは、１つもしくは２つ以上の１方向に延びる光導波領域、または１つの平面状の光導波領域であるかにかかわらず、複数の位相シフタにより、光デバイスから出射される光の方向、または光デバイスに入射する光の方向を変化させることができる。

　第１３の項目に係る光デバイスは、第１の項目に係る光デバイスにおいて、前記１つ以上の光導波領域が、複数の光導波領域である。前記光デバイスは、前記複数の光導波領域に、直接的にまたは他の導波路を介してそれぞれ繋がる複数の位相シフタをさらに備える。

　この光デバイスでは、複数の光導波路にそれぞれ繋がる複数の位相シフタにより、光デバイスから出射される光の方向、または光デバイスに入射する光の方向を変化させることができる。

　第１４の項目に係る光検出システムは、第１から第１３の項目のいずれかに記載の光デバイスと、前記光デバイスから出射され、対象物から反射された光を検出する光検出器と、前記光検出器の出力に基づいて、距離分布データを生成する信号処理回路と、を備える。

　この光検出システムでは、距離画像を生成することができる。

　本開示において、回路、ユニット、装置、部材または部の全部または一部、またはブロック図における機能ブロックの全部または一部は、例えば、半導体装置、半導体集積回路（ＩＣ）、またはＬＳＩ（ｌａｒｇｅ　ｓｃａｌｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）を含む１つまたは複数の電子回路によって実行され得る。ＬＳＩまたはＩＣは、１つのチップに集積されてもよいし、複数のチップを組み合わせて構成されてもよい。例えば、記憶素子以外の機能ブロックは、１つのチップに集積されてもよい。ここでは、ＬＳＩまたはＩＣと呼んでいるが、集積の度合いによって呼び方が変わり、システムＬＳＩ、ＶＬＳＩ（ｖｅｒｙ　ｌａｒｇｅ　ｓｃａｌｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、もしくはＵＬＳＩ（ｕｌｔｒａ　ｌａｒｇｅ　ｓｃａｌｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）と呼ばれるものであってもよい。ＬＳＩの製造後にプログラムされる、Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）、またはＬＳＩ内部の接合関係の再構成またはＬＳＩ内部の回路区画のセットアップができるｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ　ｌｏｇｉｃ　ｄｅｖｉｃｅも同じ目的で使うことができる。

　さらに、回路、ユニット、装置、部材または部の全部または一部の機能または動作は、ソフトウェア処理によって実行することが可能である。この場合、ソフトウェアは１つまたは複数のＲＯＭ、光学ディスク、ハードディスクドライブなどの非一時的記録媒体に記録され、ソフトウェアが処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）によって実行されたときに、そのソフトウェアで特定された機能が処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）および周辺装置によって実行される。システムまたは装置は、ソフトウェアが記録されている１つまたは複数の非一時的記録媒体、処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、および必要とされるハードウェアデバイス、例えばインターフェースを備えていてもよい。

　（実施形態１）
　以下に、図６Ａから図７Ｃを参照して、本開示の実施形態１による光デバイスを説明する。図６Ａは、本開示の実施形態１による光デバイス１００Ａの構成を模式的に示す平面図である。図６Ｂは、図６Ａから上部の構成要素を除いた状態を示す図である。図７Ａ、図７Ｂ、および図７Ｃは、それぞれ、図６ＡのＶＩＩＡ－ＶＩＩＡ線断面図、ＶＩＩＢ－ＶＩＩＢ線断面図、およびＶＩＩＣ－ＶＩＩＣ線断面図である。

　図７Ａから図７Ｃに示すように、光デバイス１００Ａは、上部構造体１００ａと、下部構造体１００ｂと、複数の光導波領域２０と、配向膜２２とを備える。光デバイス１００Ａは、例えば、上部構造体１００ａと下部構造体１００ｂとを貼り合わせ、それらで挟まれた空間に液晶材料を注入するプロセスによって作製され得る。液晶材料が注入された上記空間の一部が光導波領域２０である。本明細書において、上部構造体１００ａが位置する側を「上方」、下部構造体１００ｂが位置する側を「下方」とする。「上部」、「下部」、「上方」、および「下方」の用語は、光デバイス１００Ａの使用時における向きを制限するものではなく、光デバイス１００Ａの向きは任意である。

　本明細書において、上部構造体１００ａを「第１構造体１００ａ」とも称し、下部構造体１００ｂを「第２構造体１００ｂ」とも称する。上部構造体１００ａの表面のうち、下部構造体１００ｂに面する部分を「第１表面」と称する。下部構造体１００ｂの表面のうち、上部構造体１００ａに面する部分を「第２表面」と称する。第１表面と第２表面とは、互いに対向する。以下の説明において、第１構造体１００ａの第１表面を「下面」とも称し、第２構造体１００ｂの第２表面を「上面」とも称する。

　本実施形態における上部構造体１００ａは、基板５０ａ、電極６２ａ、およびミラー３０を備える。基板５０ａ上に、電極６２ａ、ミラー３０、および配向膜２２がこの順に設けられている。

　本実施形態における下部構造体１００ｂは、基板５０ｂ、電極６２ｂ、ミラー４０、誘電体層５１、複数の隔壁７３、シール部材７９、および複数の光導波路１１を備える。基板５０ｂ上には、電極６２ｂが設けられている。電極６２ｂ上にミラー４０が設けられている。ミラー４０の反射面４０ｓは、ミラー３０の反射面３０ｓに対向している。ミラー４０上には、誘電体層５１が設けられている。誘電体層５１上には、複数の隔壁７３と、シール部材７９と、複数の光導波路１１とが設けられている。

　本実施形態における複数の光導波領域２０は、ミラー３０の反射面３０ｓとミラー４０の反射面４０ｓとの間に位置する。図７Ｃに示す例では、Ｙ方向に沿って配列された６個の光導波領域２０が、複数の隔壁７３の間に形成されている。光導波領域２０の個数は６に限定されず、１以上の任意の数でよい。光導波領域２０と、ミラー３０のうち、Ｚ方向からみて光導波領域２０に重なる部分と、ミラー４０のうち、Ｚ方向からみて光導波領域２０に重なる部分とは、光導波路を形成する。光導波路は、前述のスローライト導波路として機能する。

　本実施形態における配向膜２２は、上部構造体１００ａと下部構造体１００ｂとを貼り合わせる前に、上部構造体１００ａにおけるミラー３０の反射面３０ｓに設けられる。

　以下に、本実施形態による光デバイス１００Ａの構成を詳しく説明する。

　基板５０ａおよび５０ｂのうち、光が出射される側の基板は、透光性を有する。基板５０ａおよび５０ｂの両方が、透光性を有していていもよい。同様に、電極６２ａおよび６２ｂのうち、光が出射される側の電極は、透光性を有する。電極６２ａおよび６２ｂの両方が、透光性を有していていもよい。電極６２ａおよび６２ｂの少なくとも一方は、例えば、透明電極から形成され得る。図６Ａから図７Ｃに示す例では、上部構造体１００ａにおける電極６２ａおよび基板５０ａを介して、光導波路１０から光が出射される。

　複数の隔壁７３は、誘電体層５１上に設けられる。複数の隔壁７３は、Ｙ方向に並んでいる。複数の隔壁７３の各々は、Ｘ方向に沿って延びた構造を有する。誘電体層５１のうち、Ｚ方向から見た場合に複数の隔壁７３の間に位置する部分の一部が除去される。その結果、ミラー４０の反射面４０ｓのうち、複数の部分が露出する。複数の露出した部分はＹ方向に並ぶ。複数の露出した部分の各々は、Ｘ方向に沿って延びる形状を有する。図７Ｃに示すように、誘電体層５１のうち、除去されなかった部分と、その直上の隔壁７３とは、Ｘ方向に沿って延びる凸部を形成する。したがって、ミラー４０上にはＹ方向に並ぶ複数の凸部が形成される。複数の凸部の間には複数の凹部が形成される。凹部もまたＸ方向に沿って延びる構造を有する。各凹部の深さ、すなわち各凹部の両側の凸部の高さは、例えば１μ以上１０μｍ以下であり得る。ここで、凹部の深さ、および凸部の高さは、図中のＺ方向に沿って測ったそれぞれの寸法を意味する。本実施形態では、誘電体層５１と複数の隔壁７３とによって複数の凹部が形成され、それらの凹部が複数の光導波領域２０を規定する。凹部の個数が単数である場合には、単一の光導波領域２０が凹部内に形成される。

　複数の光導波領域２０は、Ｚ方向から見て、複数の凹部が位置する領域に規定される。光導波領域２０は、ミラー３０の反射面３０ｓ、ミラー４０の反射面４０ｓ、および隣り合う２つの凸部によって囲まれている。光導波領域２０は、誘電体部材２１を含む。本実施形態において、誘電体部材２１は液晶材料から形成されている。

　光導波領域２０の屈折率は、隔壁７３および誘電体層５１の屈折率よりも高い。光導波領域２０内を伝搬する光は、光導波領域２０の両側に位置する凸部には漏れない。光導波領域２０内を伝搬する光は、光導波領域２０と凸部との界面で全反射されるからである。凸部が存在する領域を「非導波領域」と称することができる。複数の光導波領域２０および複数の非導波領域が、ミラー３０とミラー４０との間でＹ方向に交互に並んでいる。この構成は、Ｙ方向に並ぶ複数の光導波路１０に相当する。ミラー３０は、複数の光導波領域２０および複数の非導波領域がＹ方向に交互に並ぶ領域と、基板５０ａとの間に位置する。ミラー４０は、複数の光導波領域２０および複数の非導波領域がＹ方向に交互に並ぶ領域と、基板５０ｂとの間に位置する。

　電極６２ａおよび６２ｂは、互いに対向し、誘電体部材２１を間接的に挟んでいる。「間接的に挟む」とは、他の部材を介して挟むことを意味する。本実施形態では、電極６２ａおよび６２ｂの間には、ミラー３０、配向膜２２、およびミラー４０が配置されている。電極６２ａとミラー３０の位置関係は逆転していてもよい。その場合には、電極６２ａの表面に配向膜２２が形成され得る。同様に、電極６２ｂとミラー４０の位置関係は逆転していてもよい。電極６２ａおよび６２ｂに印加される電圧を調整することにより、誘電体部材２１の屈折率を調整することができる。当該電圧を変化させることにより、光導波路１０から外部に出射される光の出射角度が変化する。

　シール部材７９は、上部構造体１００ａと下部構造体１００ｂとの間隔を固定する。図６Ｂに示すように、シール部材７９は、Ｚ方向から見たときに、複数の光導波路１０および複数の隔壁７３を囲む。シール部材７９は、Ｙ方向に沿って延びる部分と、当該部分の両側からＸ方向に沿って延びる部分とを含む。シール部材７９は、誘電体層５１上に配置され、Ｙ方向に沿って延びる部分が複数の光導波路１１を跨ぐように設けられている。シール部材７９の上面は、ＸＹ平面に平行である。シール部材７９のうち、誘電体層５１の直上に位置する部分のＺ方向におけるサイズは、隔壁７３、ミラー３０、および配向膜２２の厚さ（すなわちＺ方向における寸法）の合計と同じか、当該厚さの合計よりも大きい。シール部材７９は、例えば、紫外線硬化樹脂または熱硬化樹脂から形成され得る。基板５０ａと基板５０ｂとの間隔を長期間維持できる部材であれば、シール部材７９の材料は、紫外線硬化樹脂または熱硬化樹脂である必要はない。誘電体部材２１を構成する液晶材料は、例えば真空注入により、シール部材７９によって囲まれた空間に注入され得る。当該空間に液晶材料を注入することにより、液晶材料の注入の際に真空漏れを防ぐことができる。

　複数の光導波路１１は、それぞれ複数の光導波領域２０に接続されている。光導波路１１から光導波領域２０に光が供給される。図６Ａから図７Ｃに示す例において、光導波路１１は、誘電体層５１上に位置する。誘電体層５１は、基板５０ｂと光導波路１１との間に位置する。誘電体層５１のＺ方向におけるサイズを調整することにより、光導波路１１を伝搬する光を光導波路１０に効率的に結合させることができる。誘電体層５１のＺ方向におけるサイズは、例えば、光導波路１１がＺ方向における光導波領域２０の中央付近に位置するように調整され得る。光導波路１１は、全反射によって光を伝搬させる導波路である。このため、光導波路１１の屈折率は、誘電体層５１の屈折率よりも高い。なお、光導波路１１は、スローライト導波路であってもよい。

　複数の光導波路１１の各々は、複数の隔壁７３のうちの隣り合う２つの隔壁の間に位置する部分を備える。図６Ｂおよび図７Ａに示されるように、複数の光導波路１１の各々は、当該部分において、Ｘ方向に沿って周期構造を有するグレーティング１５を備えていてもよい。光導波路１１の伝搬定数は、光導波路１０の伝搬定数とは異なる。グレーティング１５により、光導波路１１の伝搬定数は、周期構造の逆格子分だけシフトする。周期構造の逆格子とは、周期の逆数に２πを掛けた値である。逆格子分だけシフトした光導波路１１の伝搬定数が、光導波路１０の伝搬定数と一致すれば、光導波路１１を伝搬する光は光導波路１０に効率的に結合する。

　上部構造体１００ａおよび下部構造体１００ｂを貼り合わせた後、図６Ｂに示す封入口７９ｏから、液晶材料が注入される。液晶材料の注入後、封入口７９ｏは、シール部材７９と同じ部材によって閉じられる。このようにして密閉された領域は、全体的に液晶材料によって満たされる。

　配向膜２２は、ラビングによって配向方向が規定されるラビング配向膜である。ラビングでは、ナイロン布を巻き付けたロールで配向膜を所定の方向に擦ることにより、配向膜の配向方向を規定することができる。配向膜２２は、上部構造体１００ａの下面に含まれるミラー３０の反射面３０ｓに設けられている。下部構造体１００ｂの上面は、いずれの配向膜も介さずに誘電体部材２１に接触している。ミラー３０の反射面３０ｓは、平坦な面、または１μｍ未満の高低差を有する起伏した（ｕｎｅｖｅｎ）面である。誘電体部材２１は、平坦な面または起伏した面を覆う。このような面に設けられた配向膜では、ラビングによって配向方向を均一に規定することができる。ラビング配向膜は、後述する光配向膜よりも高い配向規制力を有する。したがって、ラビング配向膜をミラー３０の反射面３０ｓに設けるだけでも、液晶材料を有効に配向させることができる。

　本実施形態による光デバイス１００Ａでは、配向膜２２が、ミラー３０の反射面３０ｓに設けられているが、ミラー４０の反射面４０ｓには設けられていない。したがって、光導波路１０において、光が反射面３０ｓおよび反射面４０ｓで多重反射されながら伝搬しても、伝搬光の損失を、上下の反射面にラビング配向膜が設けられる構成と比較して半分程度に低減することができる。

　以下に、本実施形態による光デバイス１００Ａの作製に用いられる構成要素の材料およびサイズの具体例を説明する。以下、Ｚ方向におけるサイズを「厚さ」とも称する。

　まず、上部構造体１００ａの構成要素の材料およびサイズの具体例を説明する。

　基板５０ａは、例えばＳｉＯ_２層から形成され得る。Ｘ方向およびＹ方向における基板５０ｂのサイズは、例えばそれぞれ８ｍｍおよび２０ｍｍであり、基板５０ａの厚さは、例えば０．７ｍｍであり得る。

　電極６２ａは、例えばＩＴＯスパッタ層から形成され得る。電極６２ａの厚さは、例えば５０ｎｍであり得る。

　ミラー３０は、多層反射膜であり得る。多層反射膜は、Ｎｂ_２Ｏ_５層とＳｉＯ_２層とを交互に蒸着して積層することによって形成され得る。Ｎｂ_２Ｏ_５層は、屈折率ｎ＝２．２８２を有する。Ｎｂ_２Ｏ_５層の厚さは、例えば１００ｎｍ程度であり得る。ＳｉＯ_２層は、屈折率ｎ＝１．４６８を有する。ＳｉＯ_２層の厚さは、例えば２００ｎｍ程度であり得る。ミラー３０は、例えば７層のＮｂ_２Ｏ_５層、および６層のＳｉＯ_２層の合計１３層を有する。ミラー３０の厚さは、例えば１．９μｍであり得る。

　次に、下部構造体１００ｂの構成要素の材料およびサイズの例を説明する。

　基板５０ｂは、例えばＳｉＯ_２層から形成され得る。Ｘ方向およびＹ方向における基板５０ｂのサイズは、例えば両方とも１５ｍｍであり得る。基板５０ｂの厚さは、例えば０．７ｍｍであり得る。

　電極６２ｂは、例えばＩＴＯスパッタ層から形成され得る。電極６２ｂの厚さは、例えば５０ｎｍであり得る。

　ミラー４０は、多層反射膜であり得る。多層反射膜は、例えばＮｂ_２Ｏ_５層とＳｉＯ_２層とを交互に蒸着して積層することによって形成され得る。Ｎｂ_２Ｏ_５層は、屈折率ｎ＝２．２８２を有する。Ｎｂ_２Ｏ_５層の厚さは、例えば１００ｎｍ程度であり得る。ＳｉＯ_２層は、屈折率ｎ＝１．４６８を有する。ＳｉＯ_２層の厚さは、例えば２００ｎｍ程度であり得る。ミラー４０は、例えば３１層のＮｂ_２Ｏ_５層、および３０層のＳｉＯ_２層の合計６１層を有する。ミラー４０の厚さは、例えば９．１μｍであり得る。

　誘電体層５１は、例えばＳｉＯ_２蒸着層から形成され得る。ＳｉＯ_２蒸着層は、屈折率ｎ＝１．４６８を有する。ＳｉＯ_２蒸着層の厚さは、例えば１．０μｍ程度であり得る。

　光導波路１１は、例えばＮｂ_２Ｏ_５蒸着層から形成され得る。Ｎｂ_２Ｏ_５蒸着層は、屈折率ｎ＝２．２８２を有する。Ｎｂ_２Ｏ_５蒸着層の厚さは、例えば３００ｎｍ程度であり得る。光導波路１１には、グレーティング１５およびグレーティング１３が形成され得る。グレーティング１５は、例えばデューティ比１：１、およびピッチ６４０ｎｍを有する。グレーティング１３は、例えばデューティ比１：１、およびピッチ６８０ｎｍを有する。グレーティング１５およびグレーティング１３は、フォトリソグラフィ法によるパターニングによって形成され得る。Ｙ方向における光導波路１１のサイズは、例えば１０μｍであり得る。

　隔壁７３は、ＳｉＯ_２蒸着層から形成され得る。ＳｉＯ_２蒸着層は、屈折率ｎ＝１．４６８を有する。ＳｉＯ_２蒸着層の厚さは、例えば１．０μｍであり得る。Ｙ方向における隔壁７３のサイズは、例えば５０μｍであり得る。

　光導波領域２０において、誘電体層５１の一部は、例えばフォトリソグラフィ法によるパターニングによって除去され得る。光導波領域２０の厚さは、例えば２．０μｍであり得る。Ｙ方向における光導波領域２０のサイズは、例えば１０μｍであり得る。

　誘電体部材２１の材料には、例えば５ＣＢ液晶が用いられ得る。配向膜２２の材料には、例えばポリイミドが用いられ得る。ポリイミド配向膜の厚さは例えば８０ｎｍ程度であり、厚さのばらつきは０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であり得る。ポリイミド配向膜は厚く、かつその厚さは不均一である。そのようなポリイミド配向膜に光が入射すると、光の吸収および散乱が生じる。ポリイミド配向膜は、ミラー３０の反射面３０ｓにポリイミド溶液の配向材を塗布し、これを乾燥させて硬化させることによって形成され得る。ポリイミド配向膜は、形成方法によっては、上部構造体１００ａのうち、ミラー３０の反射面３０ｓ以外の表面にも設けられ得る。ポリイミド配向膜は絶縁体として機能するので、電極６２ａの少なくとも一部は、通電用に、ポリイミド配向膜で覆われることなく露出している。

　シール部材７９には、例えばスリーボンド製の紫外線硬化接着剤３０２６Ｅが用いられ得る。ある例において、波長３６５ｎｍおよびエネルギー密度１００ｍＪ／ｃｍ^２の紫外線照射によってシール部材７９を硬化して、配向膜２２が設けられた上部構造体１００ａと下部構造体１００ｂとが貼り合わせられる。この貼り合わせにより、本実施形態による光デバイス１００Ａが得られる。

　なお、基板５０ａおよび５０ｂは、ＳｉＯ_２以外の材料から形成されていてもよい。基板５０ａおよび５０ｂは、例えば、ガラスもしくはサファイアなどの無機基板、または、アクリルもしくはポリカーボネートなどの樹脂基板であってもよい。これらの無機基板および樹脂基板は、透光性を有するため、基板５０ａおよび５０ｂとして用いることができる。

　光が出射されるミラー３０の反射率は、例えば９９．９％であり、光が出射されないミラー４０の反射率は、例えば９９．９９％である。この条件は、多層反射膜の層数の調整によって実現することができる。多層反射膜内の２つの層の組み合わせとして、例えば、一方の層の屈折率は２以上であり、他方の層の屈折率は２未満である。２つの屈折率の差が大きければ、高い反射率を得ることできる。屈折率が２以上の層は、例えば、ＳｉＮ_ｘ、ＡｌＮ_ｘ、ＴｉＯ_ｘ、ＺｒＯ_ｘ（１．７≦ｘ≦２．０）、ＮｂＯ_ｙ、およびＴａＯ_ｙ（２．２≦ｙ≦２．５）からなる群から選択される少なくとも１つから形成される。屈折率が２未満の層は、例えば、ＳｉＯ_ｘおよびＡｌＯ_ｘからなる群から選択される少なくとも１つから形成される。

　誘電体層５１の屈折率は、例えば２未満であり得る。各光導波路１１の屈折率は例えば２以上であり得る。２つの屈折率の差が十分に大きければ、各光導波路１１から誘電体層５１に染み出すエバネッセント光を低減することができる。

　（実施形態２）
　次に、図８Ａから図８Ｃを参照して、本開示の実施形態２による光デバイスを説明する。本実施形態の光デバイスは、配向膜が第１構造体１００ａの表面だけでなく第２構造体１００ｂの表面にも設けられている点で、実施形態１の光デバイスとは異なる。ただし、第２構造体１００ｂの表面に設けられる配向膜は、第１構造体１００ａの表面に設けられる配向膜とは異なり、ラビング以外の方法によって形成される。以下、実施形態１とは異なる点を中心に、本実施形態の光デバイスを説明する。

　図８Ａから図８Ｃは、本実施形態による光デバイス１００Ｂの例を模式的に示す断面図である。図８Ａから図８Ｃは、それぞれ図７Ａから図７Ｃに対応している。すなわち、図８Ａから図８Ｃは、それぞれ、図６ＡにおけるＶＩＩＡ－ＶＩＩＡ線断面図、ＶＩＩＢ－ＶＩＩＢ線断面図、およびＶＩＩＣ－ＶＩＩＣ線断面図である。Ｚ方向から見た光デバイス１００Ｂの構造は、下部構造体１００ｂの表面にも配向膜が設けられる点を除き、図６Ａに示す構造と同様である。図８Ａから図８Ｃに示す例において、上部構造体１００ａは、前述の配向膜２２と同一の構造を有する第１配向膜２２ａを備える。一方、下部構造体１００ｂは、ラビング以外の方法で形成された第２配向膜２２ｂを備える。第２配向膜２２ｂは、下部構造体１００ｂの上面、下面、および側面に設けられている。より具体的には、第２配向膜２２ｂは、基板５０ｂ、ミラー４０、誘電体層５１、隔壁７３、シール部材７９、および光導波路１１のうち、第２配向膜２２ｂが存在しなければ露出する表面に設けられている。

　本実施形態における第２配向膜２２ｂは、ラビング配向膜以外の配向膜である。当該配向膜２２ｂは、例えば、偏光の照射によって配向方向が規定される光配向膜であり得る。第２配向膜２２ｂは、例えば第２構造体１００ｂの表面にシロキサン結合を介して結合された膜、より具体的には単分子配向膜であり得る。シロキサン結合は、単分子膜の密着性および被覆率を向上させる。単分子配向膜は低コストで作製できる。図８Ａから図８Ｃに示す例においては、光デバイス１００Ｂの作製の都合上、第２配向膜２２ｂが、下部構造体１００ｂにおけるミラー４０の反射面４０ｓ以外の表面にも設けられている。しかし、下部構造体１００ｂにおけるミラー４０の反射面４０ｓ以外の表面に第２配向膜２２ｂが必ずしも設けられる必要はない。

　下部構造体１００ｂの上面は、前述したように、１μｍ以上１０μｍ以下の深さを有する複数の凹部を有する。誘電体部材２１は複数の凹部を覆う。このような複数の凹部を有する第２構造体１００ｂの表面に、液晶材料を特定の方向に配向させるラビング配向膜を形成することは容易ではない。各凹部の両側に位置する凸部がラビングの障害になり、配向方向にムラが生じ得る。さらに、ラビングによって凸部が破壊され、光導波領域２０の導波路としての機能を損なう可能性がある。これに対して、偏光の照射によって第２配向膜２２ｂを形成する場合、液晶材料を特定の方向に配向させる配向膜２２ｂを容易に形成することができる。凸部は、配向膜への偏光の照射を遮る形状を有していないことが望ましい。そのような形状は、例えば、ミラー４０の反射面４０ｓから離れるにつれ幅が広くなる逆テーパー形状であり得る。

　単分子配向膜は、ポリイミド配向膜と比較して、薄くかつ均一な厚さを有する。単分子配向膜の厚さは、分子サイズの２ｎｍ程度である。そのような単分子配向膜に光が入射しても、光の吸収も散乱もほとんど生じない。したがって、図２に示すように光が多重反射して光導波領域２０をＸ方向に沿って伝搬しても、光は単分子配向膜にほとんど吸収も散乱もされない。その結果、伝搬光の損失を抑制することができる。

　第２配向膜２２ｂは薄く、絶縁膜として機能しないので、ミラー４０の反射面４０ｓ以外の表面に設けられた第２配向膜２２ｂは、残しておいても問題ない。したがって、光デバイス１００Ｂの作製において、第２配向膜２２ｂを除去する工程を省略することができる。用途によっては、ミラー４０の反射面４０ｓ以外の表面に設けられた配向膜２２を除去してもよい。

　次に、図９Ａから図９Ｅを参照して、第２配向膜２２ｂの材料、および第２配向膜２２ｂを設ける方法の具体例を説明する。図９Ａから図９Ｅは、実施形態２における第２配向膜２２ｂの例を説明するための図である。

　図９Ａは、下部構造体１００ｂが、少なくともシラン系化合物を含む溶液２３に浸漬されている状態を模式的に示している。図９Ａに示すように、下部構造体１００ｂに、少なくともシラン系化合物を含む溶液２３を接触させ、シラン系化合物を化学吸着させることにより、シロキサン結合を介して結合した膜が形成される。図９Ａに示す分子２３ｍのうち、楕円部分２３ｍ_１はシロキサン結合を表し、細く長い部分２３ｍ_２は、炭素－水素結合を表し、太く短い部分２３ｍ_３はそれら以外の結合を表す。

　次に、図９Ｂに示すように、化学吸着していない過剰なシラン化合物を洗浄液２４に溶解させて取り除くことにより、上記の膜は、シロキサン結合を介して結合した単分子膜２２ｂ_０になる。この単分子膜２２ｂ_０は、前述の第２配向膜２２ｂとして機能する。

　単分子膜２２ｂ_０の配向方向は以下のようにして決定される。単分子膜２２ｂ_０は、図９Ｂに示すように、洗浄液２４を液切りすることよって配向させることができる。上向きの矢印は、下部構造体１００ｂを引き上げる方向を表し、下向きの矢印は配向方向を表す。

　あるいは、シロキサン結合を介して結合した単分子膜２２ｂ_０が感光基を有する場合、図９Ｃに示すように、無偏光の紫外線２６を偏光子２５に通して得られた偏光２６ｐで単分子膜２２ｂ_０を照射することにより、図９Ｄに示すように、感光基が架橋または重合される。図９Ｄにおける太線は架橋を表す。偏光２６ｐの照射の結果、単分子膜２２ｂ_０は、液晶に対して均一な配向異方性を有する単分子配向膜になる。なお、シロキサン結合を介して結合した単分子膜の表面をラビングすることによっても、配向異方性を示す単分子配向膜を得ることができる。

　配向膜の配向処理が液切りまたは偏光の照射によって施されたか、ラビングによって施されたかは、配向膜に傷があるかどうかによって知ることができる。液切りまたは偏光の照射では配向膜に傷は付かない。一方、ラビングでは配向膜に傷が付く。

　図９Ｅに示すように、棒状分子から構成される液晶材料２１は、単分子配向膜２２ｂ_０によって特定の方向に配向される。

　なお、上記シラン系化合物を含む溶液２３は、シラン系化合物が溶剤に溶解した溶液である。シラン系化合物の一部が未溶解の状態であってもよい。そのような溶液の典型は、過飽和状態の溶液である。

　以下の（１）から（５）に、上記の第２配向膜２２ｂの作製方法に用いることができるシラン化合物を具体的に例示する。
（１）ＳｉＹ_ｐＣｌ_３－ｐ
（２）ＣＨ_３－（ＣＨ_２）_ｒＳｉＹ_ｑＣｌ_３－ｑ
（３）ＣＨ_３（ＣＨ_２）_ｓＯ（ＣＨ_２）_ｔＳｉＹ_ｑＣｌ_３－ｑ
（４）ＣＨ_３（ＣＨ_２）_ｕ－Ｓｉ（ＣＨ_３）_２（ＣＨ_２）_ｖ－ＳｉＹ_ｑＣｌ_３－ｑ
（５）ＣＦ_３ＣＯＯ（ＣＨ_２）_ｗＳｉＹ_ｑＣｌ_３－ｑ

　ただし、ｐは０から３の整数、ｑは０から２の整数、ｒは１から２５の整数、ｓは０から１２の整数、ｔは１から２０の整数、ｕは０から１２の整数、ｖは１から２０の整数、ｗは１から２５の整数を表す。Ｙは、水素、アルキル基、アルコキシル基、含フッ素アルキル基、および含フッ素アルコキシ基からなる群から選択される１つを表す。

　さらに、以下の（６）から（１４）に、トリクロロシラン系化合物を具体的に例示する。
（６）ＣＦ_３（ＣＨ_２）_９ＳｉＣｌ_３
（７）ＣＨ_３（ＣＨ_２）_９ＯＳｉＣｌ_３
（８）ＣＨ_３（ＣＨ_２）_９Ｓｉ（ＣＨ_３）_２（ＣＨ_２）_１０ＳｉＣｌ_３
（９）ＣＨ_３ＣＯＯ（ＣＨ_２）_１５ＳｉＣｌ_３
（１０）ＣＦ_３（ＣＦ_２）_７－（ＣＨ_２）_２－ＳｉＣｌ_３
（１１）ＣＦ_３（ＣＦ_２）_７－Ｃ_６Ｈ_４－ＳｉＣｌ_３
（１２）Ｃ_６Ｈ_５－ＣＨ＝ＣＨ－ＣＯ－Ｏ－（ＣＨ_２）_６－Ｏ－ＳｉＣｌ_３
（１３）Ｃ_６Ｈ_５－ＣＯ－ＣＨ＝ＣＨ－Ｃ_６Ｈ_４－Ｏ－（ＣＨ_２）_６－Ｏ－ＳｉＣｌ_３
（１４）Ｃ_６Ｈ_５－ＣＨ＝ＣＨ－ＣＯ－Ｃ_６Ｈ_４－Ｏ－（ＣＨ_２）_６－Ｏ－ＳｉＣｌ_３

　化合物（１２）は感光性のシンナモイル基を有する。化合物（１３）および化合物（１４）も感光性のカルコニル基を有する。紫外線を照射することにより、感光性基部が重合する。さらに、上記のクロロシラン系化合物の代わりに、クロロシリル基をイソシアネート基に置き換えたイソシアネート系シラン化合物、または、クロロシリル基をアルコキシ基に置き扱えたアルコキシ系シラン化合物を用いてもよい。

　例えば、クロロシラン（６）の代わりに、以下のイソシアネート系シラン化合物（１５）またはアルコキシ系シラン化合物（１６）が用いられ得る。
（１５）ＣＨ_３（ＣＨ_２）_９Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_３
（１６）ＣＨ_３（ＣＨ_２）_９Ｓｉ（ＮＣＯ）_３

　イソシアネート系シラン化合物またはアルコキシ系シラン化合物を用いると、化学結合の際に塩酸が発生しないので、装置の損傷がなく作業がしやすいという利点がある。

　次に、シラン化合物を用いて基板の表面に薄膜を形成するプロセス、ならびにそのプロセスに用いられる溶剤および基板の例を説明する。

　以下の化学式（１）は、シラン系化合物として化合物（１０）に示すＣＦ_３－（ＣＦ_２）_７－（ＣＨ_２）_２－ＳｉＣｌ_３をガラス基板に接触させた場合における反応ステップを示す。

　化学式（１）に示す最初の脱塩化水素反応は、化学吸着反応である。ＯＨ基を有するガラス基板にシラン化合物溶液を接触させると、脱塩化水素反応が生じる。この反応により、シラン化合物分子の一端が、基材表面のＯＨ基部分に化学結合する。この反応は、シラン化合物のＳｉＣｌ基とＯＨ基との反応である。シラン化合物溶液中に水分が多く含まれていると、基板との反応が阻害される。したがって、反応を円滑に進行させるには、ＯＨ基などの活性水素を含まない非水系溶剤を用いることが望ましく、また湿度が低い雰囲気中で行うことが望ましい。湿度条件の詳細については後述する。その後、Ｈ_２Ｏ加水分解および乾燥・脱水を経て、ガラス基板の表面に、シロキサン結合を介して結合された膜が形成される。

　本実施形態に使用できるシラン化合物の溶剤としては、例えば、水を含まない炭化水素系溶剤、フッ化炭素系溶剤、およびシリコーン系溶剤からなる群から選択される少なくとも１つが挙げられる。本実施形態に使用できる石油系の溶剤としては、例えば、石油ナフサ、ソルベントナフサ、石油エーテル、石油ベンジン、イソパラフィン、ノルマルパラフィン、デカリン、工業ガソリン、灯油、リグロイン、ジメチルミリコーン、フェニルシリコーン、アルキル変性シリコーン、およびポリエステルシリコーンからなる群から選択される少なくとも１つが挙げられる。また、本実施形態に使用できるフッ化炭素系溶媒としては、フロン系溶媒、フロリナート（３Ｍ社製品）、アフルード（旭ガラス社製品）からなる群から選択される少なくとも１つが挙げられる。これらの溶剤は、１種単独で用いてもよいし、相溶する２種以上を組み合わせて用いてもよい。

　特に、シリコーンは、水分を少ししか有さず、吸湿しにくい。さらに、シリコーンは、クロロシラン化合物と溶媒和してクロロシラン系化合物が水分と直接接触するのを防止するように作用する。したがって、クロロシラン系化合物およびシリコーンからなる溶液を下地層に接触させると、周囲雰囲気中の水分による悪影響を防止しながら、下地層に露出したＯＨ基にクロロシラン系化合物を化学吸着させることができる。

　第２配向膜２２ｂを設けることを考慮すると、光デバイス１００Ｂにおける光導波路１１、ミラー３０および４０、誘電体層５１、および隔壁７３は、例えば以下の材料から形成され得る。屈折率が２以上である材料は、ＳｉＮ_ｘ、ＡｌＮ_ｘ、ＴｉＯ_ｘ、ＺｒＯ_ｘ、ＮｂＯ_ｙ、およびＴａＯ_ｙからなる群から選択される少なくとも１つである。当該材料のうち、屈折率が２未満である材料は、ＳｉＯ_ｘおよびＡｌＯ_ｘからなる群から選択される少なくとも１つである。当該材料は、シラン化合物の吸着部位であるＯＨ基を多く確保できる。したがって、当該材料の表面に、優れた配向特性を有する配向膜を形成することができる。

　一方、光デバイス１００Ｂにおける電極６２ｂは、ＩＴＯおよびＡｌからなる群から選択される少なくとも１つの導電性材料から形成され得る。光デバイス１００Ｂにおけるシール部材７９は、アクリル系またはシリコーン系などのポリマー材料から形成され得る。これらの導電性材料およびポリマー材料では、シラン化合物の吸着部位であるＯＨ基が少ない。このため、これらの材料の表面にも配向膜を形成する場合には、当該表面に、ＯＨ基を生成または増やす親水化処理が施される。この親水化処理として、表面にＳｉＯ_２膜またはＳｉＮ_ｘ膜を設けたり、ＵＶ－Ｏ_３処理によって表面にＯＨ基を生成させたりすることが有効である。

　本実施形態における洗浄方法として、例えば、浸漬および蒸気洗浄がある。特に、蒸気洗浄は、下部構造体１００ｂの全表面における化学吸着していない過剰なシラン化合物を、蒸気の浸透力によって強力に取り除くことができる。本実施形態に使用できる洗浄溶剤として、例えば、水を含まない炭化水素系溶剤、フッ化炭素系溶剤、およびシリコーン系溶剤からなる群から選択される少なくとも１つが挙げられる。本実施形態に使用できる石油系の洗浄溶剤としては、例えば、石油ナフサ、ソルベントナフサ、石油エーテル、石油ベンジン、イソパラフィン、ノルマルパラフィン、デカリン、工業ガソリン、灯油、リグロイン、ジメチルミリコーン、フェニルシリコーン、アルキル変性シリコーン、およびポリエステルシリコーンからなる群から選択される少なくとも１つが挙げられる。また、本実施形態に使用できるフッ化炭素系溶媒には、フロン系溶媒、フロリナート（３Ｍ社製品）、およびアフルード（旭ガラス社製品）からなる群から選択される少なくとも１つが挙げられる。これらの溶剤および溶媒は、１種単独で用いてもよいし、相溶する２種以上を組み合わせて用いてもよい。

　液切りによる配向方法として、図９Ｂに示すように、下部構造体１００ｂの表面を鉛直方向に保持し、洗浄液の液切りを行う方法がある。これにより、鉛直方向にのみ、洗浄液の液切りができる。特に、沸点が２００℃以下の洗浄液の液切りでは、液切り後の乾燥性に優れている。さらに、クロロホルムは、クロロシランと水との反応によって生じたクロロシランポリマーの除去性に優れている。

　液切りによる配向方法としては、下部構造体１００ｂの表面にガスを吹き付けることにより、洗浄液の液切りを行う方法もある。これにより、ガスを吹き付けた方向にのみ、短時間で洗浄液の液切りができる。特に、沸点が１５０℃以上の洗浄液の液切りでは、ガスを吹き付けても洗浄液の蒸発が生じない。さらに、Ｎ－メチル－２ピロリジノンは、クロロシランと水との反応によって生じたクロロシランポリマーの除去性に優れている。

　本実施形態に適用できる偏光の照射による配向において、照射する偏光紫外線は、例えば３００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の波長分布を有し得る。その照射量は、例えば３６５ｎｍで約５０ｍＪ／ｃｍ^２以上約２０００ｍＪ／ｃｍ^２以下である。特に１０００ｍＪ／ｃｍ^２以上の照射量では、液晶材料の配向がホモジニアス配向になりやすい。逆に１００ｍＪ／ｃｍ２未満の照射量では、液晶材料の配向がプレチルト配向になりやすい。

　（実施例）
　次に、実施形態１および実施形態２における誘電体部材２１に含まれる液晶材料の配向方向のずれを低減する効果を説明する。液晶材料の配向方向のずれは、液晶セルのリタデーション測定によって知ることができる。液晶材料は、光学異方性のために、光の位相が進む進相軸と、光の位相が遅れる遅相軸とを有する。液晶材料の配向方向のずれは、配向処理の方向と液晶材料の遅相軸方向とがなす角度によって決定される。比較例として、ミラー３０の反射面３０ｓにシロキサン結合を有する単分子配向膜が設けられ、下部構造体１００ｂの上面に配向膜が設けられない構成では、液晶材料の配向方向が、所望の方向から０．５度ずれていた。これに対して、実施形態１による光デバイス１００Ａでは、ポリイミド配向膜（すなわちラビング配向膜）である配向膜２２により、液晶材料の配向方向のずれが０．１度に縮小した。これは、ポリイミド配向膜が単分子配向膜よりも高い配向規制力を有するからである。実施形態２による光デバイス１００Ｂでは、ポリイミド配向膜である第１配向膜２２ａおよび光配向膜である第２配向膜２２ｂにより、液晶材料の配向方向のずれが０．０５度に縮小した。ポリイミド配向膜の他に光配向膜が加わることにより、液晶材料２１の配向方向をより均一に揃えることができることが確認できた。

　次に、図１０Ａおよび図１０Ｂを参照して、実施形態１による光デバイス１００Ａおよび実施形態２による光デバイス１００Ｂから出射される光の損失の改善効果を説明する。図１０Ａは、実施形態１による光デバイス１００Ａから光が出射される様子を模式的に示す図である。図１０Ｂは、実施形態２による光デバイス１００Ｂから光が出射される様子を模式的に示す図である。図１０Ａおよび図１０Ｂに示す例において、光デバイス１００Ａおよび光デバイス１００Ｂから出射される光の強度が、出射角度θ＝６０°の方向に固定された不図示の光検出器によって測定された。当該測定では、５８９ｎｍのレーザー光が、グレーティング１３を介して各光導波路１１に入力された。出射光の損失は、配向膜を設けない構成から出射された光の強度を基準にして算出された。

　比較例として、ミラー３０の反射面３０ｓおよび下部構造体１００ｂの上面にポリイミド配向膜を設けた構成では、出射光の損失が約５０％であった。これに対して、図１０Ａに示す例では、出射光の損失は約２５％に低下した。図１０Ｂに示す例でも、出射光の損失は約２５％であった。

　ポリイミド配向膜は、液晶ディスプレイによく用いられる。液晶ディスプレイでは、光が上下の基板の配向膜を１回のみ透過する。したがって、ポリイミド配向膜が厚く、かつその厚さが不均一であっても、配向膜での吸収および散乱による光損失は、１回の透過ではそれほど問題にならない。

　これに対し、実施形態１による光デバイス１００Ａおよび実施形態２による光デバイス１００Ｂでは、前述したように、光がミラー３０の反射面３０ｓおよびミラー４０の反射面４０ｓで多重反射されながら光導波領域２０を伝搬する。したがって、両者にポリイミド配向膜が設けられた構成では、配向膜での吸収および散乱による光損失が無視できなくなる。この課題を解決するため、実施形態１による光デバイス１００Ａおよび実施形態２による光デバイス１００Ｂでは、ミラー３０の反射面３０ｓにポリイミド配向膜を設け、下部構造体１００ｂの上面にはポリイミド配向膜を設けない構造が採用されている。そのような構造により、光損失を半分程度に低減することができる。特に、実施形態２による光デバイス１００Ｂでは、光配向膜である第２配向膜２２ｂにより、第２配向膜２２ｂで光損失が実質的に生じることなく液晶材料２１の配向方向をより均一に揃えることができる。

　（変形例）
　実施形態１による光デバイス１００Ａおよび実施形態２による光デバイス１００Ｂでは、Ｙ方向に並ぶ複数の光導波領域２０が設けられている。しかし、複数の光導波領域２０を設けることは必須の要件ではなく、１つの光導波領域２０が設けられていてもよい。そのような光導波領域２０は、例えば１つの平面光導波路であってもよい。以下では、図１１Ａから図１２Ｃを参照して、実施形態２による光デバイス１００Ｂの変形例を説明する。以下に説明する変形例は、実施形態１による光デバイス１００Ａにも適用できる。実施形態２による光デバイス１００Ｂと実施形態１による光デバイス１００Ａとの違いは、第２配向膜２２ｂの有無だけである。図１１Ａは、Ｚ方向から見たときの、本変形例による光デバイス１１０の例を模式的に示す図である。ただし、図１１Ａにおいて、第２配向膜２２ｂの図示は省略されている。図１１Ｂは、図１１Ａに示す構造から上部構造体１００ａを除去した状態を示す図である。図１２Ａ、図１２Ｂ、および図１２Ｃは、それぞれ、図１１ＡのＸＩＩＡ－ＸＩＩＡ線断面図、ＸＩＩＢ－ＸＩＩＢ線断面図、およびＸＩＩＣ－ＸＩＩＣ線断面図である。

　本変形例における上部構造体１１０ａは、実施形態２における上部構造体１００ａと同じ構造を有する。これに対して、本変形例における下部構造体１１０ｂでは、実施形態２における下部構造体１００ｂとは異なり、図１１Ｂに示すように、２つの隔壁７３が１つの光導波領域２０の両サイドに配置されている。図１２Ａから図１２Ｃに示すように、下部構造体１００ｂは、比較的幅の広い凹部を有する。このような構造により、ミラー４０の反射面４０ｓが、Ｘ方向およびＹ方向に沿って広がる比較的広い範囲にわたって露出している。図１２Ｃに示すように、凹部は、Ｘ方向に延びる２つの凸部の間に位置する。この例では、ミラー３０の反射面３０ｓと、ミラー４０の反射面４０ｓと、両者の間に位置するＸ方向およびＹ方向に沿って広がる１つの光導波領域２０とによって平面光導波路が形成される。光導波領域２０は、ミラー３０の反射面３０ｓ、ミラー４０の反射面４０ｓ、および、隔壁７３によって形成される２つの凸部によって囲まれている。光導波領域２０は、液晶材料を含む誘電体部材２１で満たされている。

　図１１Ｂに示すように、複数の光導波路１１は、平面光導波路１０における光導波領域２０に接続されている。複数の光導波路１１を伝搬する光は光導波領域２０に結合される。結合された光は、光導波領域２０内で干渉して光ビームを形成する。光導波領域２０内で形成された光ビームは、ミラー３０、電極６２ａ、および基板５０ａを介して外部に出射される。変形例による光デバイス１１０でも、出射光の波数ベクトルの、Ｘ方向の成分およびＹ方向の成分を変化させることができる。

　この例では、凹部の縁にある段差部の影響で、第２配向膜２２ｂをラビングによって形成した場合、特に段差部において良好な配向性能を実現することができない。この課題を解決するため、例えば偏光の照射などの、ラビングに寄らない方法で第２配向膜２２ｂが形成される。これにより、段差部においても良好な配向性能を有する第２配向膜２２ｂを形成することができる。

　実施形態１および２、実施例、ならびに変形例において、光導波路１０は、スローライト導波路である。しかし、光導波路１０はスローライト導波路である必要はない。光導波路１０は、例えば、ミラー３０およびミラー４０を含まず、基板５０ａの表面および基板５０ｂの表面での全反射によって光導波領域２０内で光を伝搬させる光導波路であってもよい。当該光導波路を伝搬する光は、基板５０ａまたは基板５０ｂを介してではなく、例えば光導波路１０の端部から外部に出射され得る。

　実施形態１および２、実施例、ならびに変形例において、配向膜２２、２２ａ、および２２ｂは、誘電体部材２１に含まれる液晶材料を特定の方向に配向させる機能性膜である。これらの配向膜に代えて、またはこれらの配向膜に加えて、他の目的または用途に応じた種々の機能性膜を設けてもよい。例えば、耐熱性、耐傷性、粘着性、透光性、遮光性、柔軟性、剛性、導電性、および絶縁性などの性質の少なくとも１つを有する機能性膜が設けられていてもよい。誘電体部材２１は、液晶材料に限定されず、機能性膜の性能に適した材料を含み得る。

　（応用例）
　＜光スキャンデバイスへの応用例＞
　図１３は、回路基板（たとえば、チップ）上に光分岐器９０、導波路アレイ１０Ａ、位相シフタアレイ８０Ａ、および光源１３０などの素子を集積した光スキャンデバイス１００の構成例を示す図である。光スキャンデバイス１００は、実施形態１および２、ならびに変形例による光デバイスも含む。光源１３０は、例えば、半導体レーザーなどの発光素子であり得る。この例における光源１３０は、自由空間における波長がλである単一波長の光を出射する。光分岐器９０は、光源１３０からの光を分岐して複数の位相シフタにおける導波路に導入する。図１３に示す例において、チップ上には電極６２Ａと、複数の電極６２Ｂとが設けられている。導波路アレイ１０Ａには、電極６２Ａから制御信号が供給される。位相シフタアレイ８０Ａにおける複数の位相シフタ８０には、複数の電極６２Ｂから制御信号がそれぞれ送られる。電極６２Ａ、および複数の電極６２Ｂは、上記の制御信号を生成する不図示の制御回路に接続され得る。制御回路は、図１３に示すチップ上に設けられていてもよいし、光スキャンデバイス１００における他のチップに設けられていてもよい。

　図１３に示すように、すべてのコンポーネントをチップ上に集積することで、小型のデバイスで広範囲の光スキャンが実現できる。例えば２ｍｍ×１ｍｍ程度のチップに、図１３に示すすべてのコンポーネントを集積することができる。

　図１４は、光スキャンデバイス１００から遠方にレーザーなどの光ビームを照射して２次元スキャンを実行している様子を示す模式図である。２次元スキャンは、ビームスポット３１０を水平および垂直方向に移動させることによって実行される。例えば、公知のＴＯＦ（Ｔｉｍｅ　Ｏｆ　Ｆｌｉｇｈｔ）法と組み合わせることで、２次元の測距画像を取得することができる。ＴＯＦ法は、レーザーを照射して対象物からの反射光を観測することで、光の飛行時間を算出し、距離を求める方法である。

　図１５は、そのような測距画像を生成することが可能な光検出システムの一例であるＬｉＤＡＲシステム３００の構成例を示すブロック図である。ＬｉＤＡＲシステム３００は、光スキャンデバイス１００と、光検出器４００と、信号処理回路６００と、制御回路５００とを備える。光検出器４００は、光スキャンデバイス１００から出射され、対象物から反射された光を検出する。光検出器４００は、例えば光スキャンデバイス１００から出射される光の波長λに感度を有するイメージセンサ、またはフォトダイオードなどの受光素子を含むフォトディテクタであり得る。光検出器４００は、受光した光の量に応じた電気信号を出力する。信号処理回路６００は、光検出器４００から出力された電気信号に基づいて、対象物までの距離を計算し、距離分布データを生成する。距離分布データは、距離の２次元分布を示すデータ（すなわち、測距画像）である。制御回路５００は、光スキャンデバイス１００、光検出器４００、および信号処理回路６００を制御するプロセッサである。制御回路５００は、光スキャンデバイス１００からの光ビームの照射のタイミングおよび光検出器４００の露光および信号読出しのタイミングを制御し、信号処理回路６００に、測距画像の生成を指示する。

　２次元スキャンにおいて、測距画像を取得するフレームレートとして、例えば一般的に動画でよく使われる６０ｆｐｓ、５０ｆｐｓ、３０ｆｐｓ、２５ｆｐｓ、２４ｆｐｓなどから選択することができる。また、車載システムへの応用を考慮すると、フレームレートが大きいほど測距画像を取得する頻度が上がり、精度よく障害物を検知できる。例えば、６０ｋｍ／ｈでの走行時において、６０ｆｐｓのフレームレートでは車が約２８ｃｍ移動するごとに画像を取得することができる。１２０ｆｐｓのフレームレートでは、車が約１４ｃｍ移動するごとに画像を取得することができる。１８０ｆｐｓのフレームレートでは車が、約９．３ｃｍ移動するごとに、画像を取得することができる。

　１つの測距画像を取得するために必要な時間は、ビームスキャンの速度に依存する。例えば、解像点数が１００×１００のイメージを６０ｆｐｓで取得するためには１点につき１．６７μｓ以下でビームスキャンをする必要がある。この場合、制御回路５００は、６００ｋＨｚの動作速度で、光スキャンデバイス１００による光ビームの出射、および光検出器４００による信号蓄積・読出しを制御する。

　＜光受信デバイスへの応用例＞
　本開示の前述の各実施形態における光スキャンデバイスまたは光デバイスは、ほぼ同一の構成で、光受信デバイスとしても用いることができる。光受信デバイスは、光スキャンデバイスと同一の導波路アレイ１０Ａと、受信可能な光の方向を調整する第１調整素子とを備える。導波路アレイ１０Ａの各第１ミラー３０は、第３の方向から第１の反射面の反対側に入射する光を透過させる。導波路アレイ１０Ａの各光導波層２０は、第２の方向に第１ミラー３０を透過した光を伝搬させる。第１調整素子が各導波路素子１０における前記光導波層２０の屈折率および厚さ、ならびに光の波長の少なくとも１つを変化させることにより、各光導波層２０に取り込まれる受信可能な光の方向を変化させることができる。さらに、光受信デバイスが、光スキャンデバイスと同一の複数の位相シフタ８０、または８０ａおよび８０ｂと、複数の導波路素子１０から複数の位相シフタ８０、または８０ａおよび８０ｂを通過して出力される光の位相の差をそれぞれ変化させる第２調整素子を備える場合には、受信可能な光の方向を２次元的に変化させることができる。

　例えば図１３に示す光スキャンデバイス１００における光源１３０を受信回路に置換した光受信デバイスを構成することができる。導波路アレイ１０Ａに波長λの光が入射すると、その光は位相シフタアレイ８０Ａを通じて光分岐器９０へ送られ、最終的に一箇所に集められ、受信回路に送られる。その一箇所に集められた光の強度は、光受信デバイスの感度を表すといえる。光受信デバイスの感度は、導波路アレイおよび位相シフタアレイ８０Ａに別々に組み込まれた調整素子によって調整することができる。光受信デバイスでは、例えば図４において、波数ベクトル（図中の太い矢印）の方向が反対になる。入射光は、導波路素子１０が延びる方向（図中のＸ方向）の光成分と、導波路素子１０の配列方向（図中のＹ方向）の光成分とを有している。Ｘ方向の光成分の感度は、導波路アレイ１０Ａに組み込まれた調整素子によって調整できる。一方、導波路素子１０の配列方向の光成分の感度は、位相シフタアレイ８０Ａに組み込まれた調整素子によって調整できる。光受信デバイスの感度が最大になるときの光の位相差Δφ、光導波層２０の屈折率ｎｗおよび厚さｄから、図４に示すθおよびα_０がわかる。これにより、光の入射方向を特定することができる。

　本開示の実施形態における光スキャンデバイスおよび光受信デバイスは、例えば自動車、ＵＡＶ、ＡＧＶなどの車両に搭載されるライダーシステムなどの用途に利用できる。

　　１０　　　導波路素子、光導波路
　　１１　　　　光導波路
　　１０Ａ　　導波路アレイ
　　１３　　　グレーティング
　　１５　　　グレーティング
　　２０　　　光導波層
　　２０Ｌ　　光
　　２１　　　誘電体部材
　　２２　　　膜
　　２２ａ　　第１配向膜
　　２２ｂ　　第２配向膜
　　２２ｂ_０　単分子膜、単分子配向膜
　　２３ｍ　　分子
　　３０　　　第１ミラー
　　４０　　　第２ミラー
　　５０ａ、５０ｂ　　　基板
　　５１　　　誘電体層
　　６２ａ、６２ｂ　　　電極
　　７０ａ　　導波路アレイの駆動回路
　　７０ｂ　　位相シフタアレイの駆動回路
　　７３　　　複数の隔壁
　　８０　　位相シフタ
　　８０Ａ　位相シフタアレイ
　　９０　　　光分岐器
　　１００、１００Ａ、１００Ｂ_、１１０　　光デバイス
　　１００ａ、１１０ａ　上部構造体
　　１００ｂ、１１０ｂ　下部構造体
　　１０１、１０２　　方向
　　１３０　　光源
　　３１０　　ビームスポット
　　４００　　光検出器
　　５００　　制御回路
　　６００　　信号処理回路

Claims

　第１表面を有する第１構造体と、
　前記第１表面に対向する第２表面を有する第２構造体と、
　前記第１構造体の前記第１表面と前記第２構造体の前記第２表面との間に位置し、液晶材料を含む１つ以上の光導波領域と、
　前記第１表面に設けられ、前記液晶材料を配向させるラビング配向膜である第１配向膜と、
を備え、
　（Ａ）前記第２表面は、いずれの配向膜も介することなく前記液晶材料に接触する、
　または
　（Ｂ）前記第２表面に設けられ、ラビング配向膜以外の配向膜であり、前記液晶材料を配向させる第２配向膜をさらに備える、
光デバイス。
　前記第２配向膜は、偏光の照射によって形成された光配向膜である、
請求項１に記載の光デバイス。
　前記第２配向膜は、シロキサン結合を介して前記第２表面に結合した材料を含む膜である、
請求項１または２に記載の光デバイス。
　前記膜は単分子膜である、
請求項３に記載の光デバイス。
　前記第２表面は、１μｍ以上１０μｍ以下の深さを有する１つ以上の凹部を有し、
　前記液晶材料は前記１つ以上の凹部を覆う、
請求項１から４のいずれかに記載の光デバイス。
　前記１つ以上の凹部は複数の凹部であり、
　前記１つ以上の光導波領域は複数の光導波領域であり、
　前記複数の光導波領域の各々は、前記複数の凹部の各々を覆う、
請求項５に記載の光デバイス。
　前記第１表面は、平坦な面、または１μｍ未満の高低差を有する起伏した面であり、
　前記液晶材料は、前記平坦な面または前記起伏した面を覆う、
請求項１から６のいずれかに記載の光デバイス。
　前記第１構造体は、前記第１表面を有する第１ミラーを含み、
　前記第２構造体は、前記第２表面を有する第２ミラーを含む、
　請求項１から７のいずれかに記載の光デバイス。
　前記第１ミラーおよび前記第２ミラーは、何れも誘電体多層膜から形成されている、
　請求項８に記載の光デバイス。
　前記第１ミラーは、前記第２ミラーよりも高い光透過率を有する、
請求項９に記載の光デバイス。
　前記第１構造体は、第１電極を含み、
　前記第２構造体は、前記第１電極に対向する第２電極を含み、
　前記１つ以上の光導波領域は、前記第１電極と前記第２電極との間に位置し、
　前記第１電極および前記第２電極に印加される電圧を変化させることにより、前記１つ以上の光導波領域から前記第１構造体を介して出射する光の方向、または、前記第１構造体を介して前記１つ以上の光導波領域に取り込まれる光の入射方向が変化する、
請求項１０に記載の光デバイス。
　前記１つ以上の光導波領域に、直接的にまたは他の導波路を介して繋がる複数の位相シフタをさらに備える、
請求項１に記載の光デバイス。
　前記１つ以上の光導波領域は、複数の光導波領域であり、
　前記複数の光導波領域に、直接的にまたは他の導波路を介してそれぞれ繋がる複数の位相シフタをさらに備える
請求項１に記載の光デバイス。
　請求項１から１３のいずれかに記載の光デバイスと、
　前記光デバイスから出射され、対象物から反射された光を検出する光検出器と、
　前記光検出器の出力に基づいて、距離分布データを生成する信号処理回路と、
を備える、
光検出システム。