JP2024048848A - 光導波検出素子、映像レーザーモジュール及びｘｒグラス - Google Patents

Abstract

【課題】映像のための光源モジュールとアイトラッキングモジュールとを一体化することが可能な光導波検出素子を提供することである。
【解決手段】本発明の光導波検出素子１００は、基板１０と、基板１０上に形成された光導波路層２０と、フォトディテクター３０と、を備え、光導波路層２０は、波長が３８０ｎｍ～８００ｎｍの可視光が伝搬する第１光導波路２１と波長が８０１ｎｍ～２０００ｎｍの近赤外光が伝搬する第２光導波路２２とフォトディテクター３０の受光面に光を伝搬する第３光導波路２３と、を有し、可視光が出射する第１光導波路２１の可視光出射口２１Ａと、近赤外光が出射する第２光導波路２２の近赤外光出射口２２Ａと、近赤外光が反射して戻ってくる第３光導波路２３の反射光入射口２３Ａとは光導波路層２０の一端面２０Ａに配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光導波検出素子、映像レーザーモジュール及びＸＲグラスに関する。

ＡＲ（Augmented Reality：拡張現実）グラス、ＶＲ（Virtual Reality：仮想現実）グラス等のＸＲグラスは小型のウェアラブルデバイスとして期待されている。ＡＲグラス、ＶＲグラスのようなウェアラブルデバイスにおいては通常の眼鏡型のサイズに各機能が収まるように小型化されることが普及に対するカギとなっている。

米国特許出願公開第２０２０／００８１５３０号明細書 米国特許出願公開第２０２０／１０５０４２８号明細書

従来提案されているＡＲグラス、ＶＲグラス等のＸＲグラスでは、映像のための光源モジュールと、アイトラッキングモジュールとが別体であるため、小型化が進んでいなかった。また、映像のための光源モジュールとアイトラッキングモジュールとが別体であると、光軸合わせが非常に複雑である。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、映像のための光源モジュールとアイトラッキングモジュールとを一体化することが可能な光導波検出素子、映像レーザーモジュール及びＸＲグラスを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

本発明の態様１に係る光導波検出素子は、基板と、前記基板上に形成された光導波路層と、フォトディテクターと、を備え、前記光導波路層は、波長が３８０ｎｍ～８００ｎｍの可視光が伝搬する第１光導波路と波長が８０１ｎｍ～２０００ｎｍの近赤外光が伝搬する第２光導波路と前記フォトディテクターの受光面に光を伝搬する第３光導波路と、を有し、前記可視光が出射する前記第１光導波路の可視光出射口と、前記近赤外光が出射する前記第２光導波路の近赤外光出射口と、前記近赤外光が反射して戻ってくる第３光導波路の反射光入射口とが前記光導波路層の一端面に配置する。

本発明の態様２に係る映像レーザーモジュールは、態様１の光導波検出素子と、可視光を出力する可視光レーザー光源と、近赤外光を出力する近赤外光レーザー光源と、を備える。

本発明の態様３に係るＸＲグラスは、態様２の映像レーザーモジュールがグラスに搭載されている。

本発明の光導波検出素子によれば、映像のための光源モジュールとアイトラッキングモジュールとを一体化することが可能な光導波検出素子を提供できる。

第１実施形態に係る光導波検出素子の斜視模式図である。 第１実施形態に係る光導波検出素子を可視光及び近赤外光の出射面から視た平面模式図である。 合波部の例であり、（ａ）及び（ｂ）はＭＭＩ型合波部であり、（ｃ）はＹ字型合波部であり、（ｄ）は方向性結合器である。 （ａ）はフォトディテクター及び支持部材の構成例のＸＺ面で切った断面模式図であり、（ｂ）は他の構成例のＸＺ面で切った断面模式図である。 第２実施形態に係る光導波検出素子の斜視模式図である。 フォトディテクターがスピンフォトディテクターである構成において、スピンフォトディテクター近傍の斜視模式図である。 フォトディテクターがスピンフォトディテクターである構成において、スピンフォトディテクター近傍の断面模式図である。 フォトディテクターがスピンフォトディテクターである構成において、検出回路の一例である。 フォトディテクターがスピンフォトディテクターである構成において、検出回路の他の例である。 フォトディテクターがスピンフォトディテクターである構成において、スピンフォトディテクター近傍の断面模式図である。 スピンフォトディテクターの第１メカニズムを説明するための図である。 スピンフォトディテクターの第２メカニズムを説明するための図である。 スピンフォトディテクターの他の配置例のスピンフォトディテクター近傍の断面模式図である。 第３実施形態に係る光導波検出素子のスピンフォトディテクター近傍の斜視模式図である。 第３実施形態に係る光導波検出素子のスピンフォトディテクター近傍をＸＺ面で切った断面模式図である。 第３実施形態に係る光導波検出素子のスピンフォトディテクター近傍をＹＺ面で切った断面模式図である。 第４実施形態に係る光導波検出素子の斜視模式図である。 第１実施形態に係る映像レーザーモジュールの斜視模式図である。 （ａ）は近赤外光レーザー光源及び第３光導波路の近傍を拡大した平面模式図であり、（ｂ）は、（ａ）においてＸ１－Ｘ１線で切断した断面模式図である。 第２実施形態に係る映像レーザーモジュールの斜視模式図である。 第４実施形態に係る映像レーザーモジュールの斜視模式図である。 本実施形態に係る光導波検出素子を備えた映像レーザーモジュールを製造する方法の主な工程を示す概念図である。 本実施形態に係る光導波検出素子を備えた映像レーザーモジュールを製造する方法の主な工程を示す概念図である。 本実施形態に係るＸＲグラスを説明するための概念図 本実施形態に係る映像レーザーモジュールから出射されたレーザー光によって網膜に直接画像が投影される様子を示す概念図である。 映像レーザーモジュールの制御系の概念図、及び、眼球の模式図である。 眼球の網膜までの距離の測定を行う方法を説明するための模式図である。 眼球の表面までの距離の測定を行う方法を説明するための模式図である。 網膜までの距離と眼球表面までの距離とを飛行時間に基づいて識別できることを説明するための図である。

以下、実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。

〔光導波検出素子〕
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る光導波検出素子の斜視模式図である。図２は、第１実施形態に係る光導波検出素子を、可視光及び近赤外光の出射面から視た平面模式図である。
図１に示す光導波検出素子１００は、基板１０と、基板１０上に形成された光導波路層２０と、フォトディテクター３０と、を備え、光導波路層２０は、波長が３８０ｎｍ～８００ｎｍの可視光が伝搬する第１光導波路２１と波長が８０１ｎｍ～２０００ｎｍの近赤外光が伝搬する第２光導波路２２とフォトディテクター３０の受光面に光を伝搬する第３光導波路２３と、を有し、可視光が出射する第１光導波路２１の可視光出射口２１Ａと、近赤外光が出射する第２光導波路２２の近赤外光出射口２２Ａと、近赤外光が反射して戻ってくる第３光導波路２３の反射光入射口２３Ａとは光導波路層２０の一端面２０Ａに配置する。
近赤外光は不可視であるのでアイトラッキングに用いることができる。
図１においては、可視光レーザー光源（Ｒ，Ｇ，Ｂ）、近赤外光レーザー光源（ＩＲ）も図示している。それぞれ符号６０－１、６０－２、６０－３、７０を付している。光導波検出素子１００と、可視光レーザー光源６０（６０－１、６０－２、６０－３）と、近赤外光レーザー光源７０とを備えることによって、後述する映像レーザーモジュールとなるが、これについては光導波検出素子を説明した後に説明する。

光導波検出素子１００は、可視光が出射する可視光出射口２１Ａと、近赤外光が出射する近赤外光出射口２２Ａと、近赤外光が反射して戻ってくる反射光入射口２３Ａとが光導波路層２０の一端面２０Ａに配置する構成なので、光導波路層２０のサイズに応じて小型化が可能である。また、第１光導波路２１、第２光導波路２２及び第３光導波路２３をリソグラフィで光軸合わせを行うことが可能である。
フォトディテクター３０の受光面と第３光導波路２３の反射光入射口２３Ａとの光軸合わせについて後述する。

基板１０としては例えば、サファイア基板、Ｓｉ基板、熱酸化シリコン基板などを挙げることができる。
第１光導波路２１、第２光導波路２２及び第３光導波路２３をニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）膜で形成する場合、ニオブ酸リチウム膜より屈折率が低いものであれば特に限定されないが、単結晶ニオブ酸リチウム膜をエピタキシャル膜として形成させることができる基板として、サファイア単結晶基板もしくはシリコン単結晶基板が好ましい。単結晶基板の結晶方位は特に限定されないが、例えば、ｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜は３回対称の対称性を有しているので、下地の単結晶基板も同じ対称性を有していることが望ましく、サファイア単結晶基板の場合はｃ面、シリコン単結晶基板の場合は（１１１）面の基板が好ましい。

基板１０のサイズはＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向でそれぞれ例えば、１ｍｍ～２０ｍｍ、１ ｍｍ～１５ｍｍ、０．３ｍｍ～１．５ｍｍである。

図１に示す例では、光導波路層２０は、第１光導波路２１、第２光導波路２２及び第３光導波路２３を有する導波路コア膜２４と、第１光導波路２１、第２光導波路２２及び第３光導波路２３を被覆するように導波路コア膜２４上に形成される導波路クラッド膜２５とを有する。

導波路コア膜２４としては、ニオブ酸リチウム膜やＳｉＯ_２膜を例示できる。
以下では、導波路コア膜２４がニオブ酸リチウム膜の場合を例に説明する。以下、ニオブ酸リチウム膜２４と称する場合がある。
ニオブ酸リチウム膜は例えば、ｃ軸配向したニオブ酸リチウム膜である。ニオブ酸リチウム膜は例えば、基板１０上にエピタキシャル成長したエピタキシャル膜である。エピタキシャル膜は、下地の基板によって結晶方位が揃えられた単結晶の膜のことである。エピタキシャル膜は、ｚ方向およびｘｙ面内方向に単一の結晶方位をもった膜であり、結晶がｘ軸、ｙ軸及びｚ軸方向にともに揃って配向しているものである。基板１０上に形成されている膜がエピタキシャル膜かどうかは、例えば、２θ－θＸ線回折における配向位置でのピーク強度と極点の確認を行うことで証明することができる。

具体的には、２θ－θＸ線回折による測定を行ったとき、目的とする面以外の全てのピーク強度が目的とする面の最大ピーク強度の１０％以下、好ましくは５％以下である。例えば、ニオブ酸リチウム膜がｃ軸配向エピタキシャル膜である場合には、（００Ｌ）面以外のピーク強度が、（００Ｌ）面の最大ピーク強度の１０％以下、好ましくは５％以下である。ここで、（００Ｌ）は、（００１）や（００２）などの等価な面を総称する表示である。

また、前述の配向位置でのピーク強度の確認の条件においては、一方向における配向性を示しているのみである。よって、前述の条件を得たとしても、面内において結晶配向がそろっていない場合には、特定角度位置でＸ線の強度が高まることはなく、極点は見られない。例えば、ニオブ酸リチウム膜がニオブ酸リチウム膜の場合、ＬｉＮｂＯ_３は三方晶系の結晶構造であるため、単結晶におけるＬｉＮｂＯ_３（０１４）の極点は３つとなる。ニオブ酸リチウムの場合、ｃ軸を中心に１８０°回転させた結晶が対称的に結合した、いわゆる双晶の状態にてエピタキシャル成長することが知られている。この場合、３つの極点が対称的に２つ結合した状態になるため、極点は６つとなる。また、（１００）面のシリコン単結晶基板上にニオブ酸リチウム膜を形成した場合は、基板が４回対称となっているため、４ｘ３＝１２個の極点が観測される。なお、本開示では、双晶の状態にてエピタキシャル成長したニオブ酸リチウム膜もエピタキシャル膜に含める。

ニオブ酸リチウムの組成は、Ｌｉ_ｘＮｂＡ_ｙＯ_ｚである。Ａは、Ｌｉ、Ｎｂ、Ｏ以外の元素である。ｘは、０．５以上１．２以下であり、好ましくは０．９以上１．０５以下である。ｙは、０以上０．５以下である。ｚは１．５以上４．０以下であり、好ましくは２．５以上３．５以下である。Ａの元素は、例えば、Ｋ、Ｎａ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｃｅであり、これらの元素を２種類以上の組み合わせても良い。

ニオブ酸リチウム膜の膜厚は例えば、２μｍ以下である。ニオブ酸リチウム膜の膜厚とは、リッジ部以外の部分の膜厚のことである。ニオブ酸リチウム膜の膜厚が厚いと、結晶性が低下する恐れがある。
またニオブ酸リチウム膜の膜厚は、例えば、使用する光の波長の１／１０程度以上である。ニオブ酸リチウム膜の膜厚が薄いと、光の閉じ込めが弱くなり、基板１０や導波路クラッド膜２５に光が漏れる。

第１光導波路２１、第２光導波路２２及び第３光導波路２３は、内部を光が伝搬する光の通路である。第１光導波路２１、第２光導波路２２及び第３光導波路２３は、ニオブ酸リチウム膜２４の第１面２４Ａから突出するリッジである。以下では、第１光導波路２１、第２光導波路２２及び第３光導波路２３をそれぞれ、第１リッジ２１、第２リッジ２２、第３リッジ２３ということがある。第１面２４Ａは、ニオブ酸リチウム膜２４のリッジ部以外の部分（スラブ層）における上面である。ニオブ酸リチウム膜２４はリッジ２１、２２、２３とスラブ層とからなる。
図２に示す第１リッジ２１、第２リッジ２２及び第３リッジ２３の断面形状定形部の断面形状は矩形であるが、光を導波できる形状であればよく、例えば、台形、三角形、半円形等であってもよい。３つのリッジ部のｙ方向の幅Ｗａ、Ｗｂは、０．３μｍ以上５．０μｍ以下であることが好ましく、３つのリッジ部の高さ（第１面２４Ａからの突出高さＨａ，Ｈｂ）は、例えば、０．１μｍ以上１．０μｍ以下であることが好ましい。

なお、図１に示す例では、第１リッジ２１及び第２リッジ２２は同じ高さＨａで、かつ、第３リッジ２３の高さＨｂが高さＨａより高い構成としているが、３つのリッジすべてが同じ高さである構成や、３つのリッジすべてが異なる高さである構成であってもよい。
第１リッジ２１と第２リッジ２２が同じ高さで、第３リッジ２３が異なる高さである構成の場合には、素子から出射する機能の導波路（第１リッジ２１及び第２リッジ２２）はシングルモードを形成しやすい低めの高さにして、反射した光を導波する第３リッジ２３は外部反射によりマルチモードが発生した光も導波できるというメリットを有する。
第１リッジ２１、第２リッジ２２及び第３リッジ２３の３つのリッジすべてが同じ高さである構成の場合は、製造プロセス上、一括で構成できるので低コスト化が実現できるというメリットを有する。
第１リッジ２１、第２リッジ２２及び第３リッジ２３の３つのリッジすべてが異なる高さである構成の場合は、映像用の赤、緑、青色の低波長の光と、近赤外光の光と、それを反射した光と、それぞれに最適な波長に適した構成となるため、マルチモードの光が発生しづらくシングルモードの光で導波できるため、映像、アイトラッキングの検出感度がそれぞれ高くできるというメリットを有する。
以上のように、それぞれの構成により、目的に応じたメリットがある。

また、第１リッジ２１及び第２リッジ２２は同じ幅Ｗａで、かつ、第３リッジ２３の幅Ｗｂが幅Ｗａより高い構成としているが、３つのリッジすべてが同じ幅である構成や、３つのリッジすべてが異なる幅である構成であってもよい。
第１リッジ２１と第２リッジ２２が同じ幅で、第３リッジ２３が異なる幅である構成の場合には、素子から出射する機能の導波路（第１リッジ２１及び第２リッジ２２はシングルモードを形成しやすい低い幅にして、反射した光を導波する第３リッジ２３は外部反射によりマルチモードが発生した光も導波できるというメリットを有する。
第１リッジ２１、第２リッジ２２及び第３リッジ２３の３つのリッジすべてが同じ幅である場合は、製造プロセス管理上、一括で管理できるので低コスト化が実現できるというメリットを有する。
第１リッジ２１、第２リッジ２２及び第３リッジ２３の３つのリッジすべてが異なる幅である場合は、映像用の赤、緑、青色の低波長の光と、近赤外光の光と、それを反射した光と、それぞれに最適な波長に適した構成となるため、マルチモードの光が発生しづらくシングルモードの光で導波できるため、映像、アイトラッキングの検出感度がそれぞれ高くできるというメリットを有する。
以上のように、それぞれの構成により、目的に応じたメリットがある。

第１リッジ２１、第２リッジ２２及び第３リッジ２３すなわち、第１光導波路２２、第１光導波路２２及び第３光導波路２３のサイズをレーザー光の波長程度とすることによってシングルモードで伝搬することができる。

図１に示す第１光導波路２１は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｇ）の３つの可視光レーザー光源から可視光がそれぞれ入射する入射口２１－１ｉ、２１－２ｉ、２１－３ｉを、面２０Ｂに有し、入射口２１－１ｉに入った赤色レーザー光が伝搬する赤色光入射路２１－１、入射口２１－２ｉに入った緑色レーザー光が伝搬する緑色光入射路２１－２、入射口２１－３ｉに入った青色レーザー光が伝搬する青色光入射路２１－３を有する。第１光導波路２１はさらに、赤色光入射路２１－１及び緑色光入射路２１－２をそれぞれ伝搬してきた光を合波する合波部２１ｇ１と、合波された光が伝搬する導波路２１－１２と、導波路２１－１２を伝搬してきた光と青色光入射路２１－２を伝搬してきた光とが合波する合波部２１ｇ２と、合波部２１ｇ２で合波された光が伝搬する出射路２１－１２３と、出射路２１－１２３に接続する可視光出射口２１Ａとを有する。
図１に示す第１光導波路２１は一例であって、可視光レーザー光源から入射する入射口と、出射する可視光出射口との間を光が伝搬する光導波路であれば、他の構成でもよい。例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｇ）の３つのレーザー光ではなく、それらの１つ又は２つのレーザー光を伝搬する光導波路を備える構成や、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｇ）の１組のレーザー光が伝搬する光導波路ではなく、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｇ）の複数組のレーザー光が伝搬する光導波路を備える構成でもよい。
後述するアイトラッキング機構を有する映像レーザーモジュールに、本実施形態に係る光導波検出素子を適用する場合、光軸合わせの観点で、可視光出射口は１個であることが好ましいが、可視光出射口が複数個ある構成も使用可能である。
図１に示す第１光導波路２１は、可視光出射口２１Ａ、近赤外光出射口２２Ａ及び反射光入射口２３Ａが配置する一端面２０Ａの、Ｘ方向で対向する面２０Ｂにすべての入射口が配置する構成であるが、入射口のすべて又はその一部が面２０Ｃ又は２０Ｄに配置する構成であってもよい。

合波部としては、ＭＭＩ（Multi-Mode Interferometer：マルチモード干渉）型合波部（図３（ａ）（ｂ）参照）、Ｙ字型合波部（図３（ｃ）参照）、及び、方向性結合器（図３（ｄ）参照）、からなる群から選択されたいずれかであってもよいが、ＭＭＩ型合波部であることが好ましい。それぞれの合波部の作用について図を用いて説明する。

図３（ａ）に示す合波部１５０Ａは、光導波路１４Ｅ－１を伝搬する光と、光導波路１４Ｅ－２を伝搬する光と、光導波路１４Ｅ－３を伝搬する光とを合波する合波部１５０であり、合波部１５０から合波された光が出力導波路１５１へ出力される。

また、図３（ｂ）に示す合波部１５０Ｂは、まず光導波路１４Ｅ－１を伝搬する光と、光導波路１４Ｅ－２を伝搬する光とを合波する合波部１５０Ｂ－１と、次いでその合波された光が合波部１５０Ｂ－１から出力され伝搬する光１５１－１と、光導波路１４Ｅ－３を伝搬する光とを合波する合波部１５０Ｂ－２とからなり、合波部１５０Ｂ－２から合波された光が出力導波路１５１－２へ出力される。

また、図３（ｃ）に示す合波部１５０Ｃは、まず光導波路１４Ｅ－１を伝搬する光と、光導波路１４Ｅ－２を伝搬する光とを合波する合波部１５０Ｃ－１と、次いでその合波された光が合波部１５０Ｃ－１から出力され伝搬する光と、光導波路１４Ｅ－３を伝搬する光とを合波する合波部１５０Ｃ－２とからなり、合波部１５０Ｃ－２から合波された光が出力導波路５１へ出力される。

また、図３（ｄ）に示す合波部１５０Ｄは、まず光導波路１４Ｅ－１を伝搬する光が、光導波路１４Ｅ－２を伝搬する光に結合される方向性結合部１５０Ｄ－１と、次いでその合波された光に、光導波路１４Ｅ－３を伝搬する光が結合される方向性結合部１５０Ｄ－２とからなり、方向性結合部１５０Ｄ－２から結合合波された光が出力導波路５１へ出力される。

図１に示す第２光導波路２２は、近赤外光レーザー光源から近赤外光が入射する入射口２２ｉと、入射口２２ｉから入射した近赤外光が伝搬する光導波路と、この光導波路を伝搬してきた近赤外光が出射する近赤外光出射口２２Ａとを有する。
図１に示す第２光導波路２２は、１個の近赤外光レーザー光源から入射することを想定して入射口は１個しかないが、例えば、１個の近赤外光レーザー光源から発射する近赤外光の強度が弱い場合や、弱くはないがさらに強度を強くしたい場合などに複数の近赤外光レーザー光源から近赤外光が入射するときはその数に合わせた入射口を備え、その後、それぞれの入射口から入射した近赤外光が伝搬する複数の光導波路が１個又は複数個の合波部で結合して１本の光導波路になり、近赤外光出射口２２Ａから出射する構成でもよい。
また、図１に示す第２光導波路２２では、可視光出射口２１Ａ、近赤外光出射口２２Ａ及び反射光入射口２３Ａが配置する一端面２０Ａの、Ｘ方向で対向する面２０Ｂに入射口２２ｉが配置する構成であるが、面２０Ｃ又は２０Ｄに配置する構成であってもよい。

図１に示す第３光導波路２３は、近赤外光出射口２２Ａから出射した近赤外光が反射対象物に照射してから反射して戻ってきた近赤外光が入射する反射光入射口２３Ａと、反射光入射口２３Ａから入射した近赤外光が伝搬する光導波路と、この光導波路を伝搬してきた近赤外光が出射する反射光出射口２２Ｂとを有する。
図１に示す第３光導波路２３では、可視光出射口２１Ａ、近赤外光出射口２２Ａ及び反射光入射口２３Ａが配置する一端面２０Ａに対して垂直な面２０Ｃに反射光出射口２２Ｂが配置する構成であるが、フォトディレクターが配置する位置に応じて、面２０Ｂ又は２０Ｄに配置する構成であってもよい。

ここで、Ｙ方向で面２０Ｃに対向する面２０Ｄとすると、一端面２０Ａ、他端面２０Ｂ、面２０Ｃ及び面２０Ｄは光導波路層２０の４つの側面であるが、一端面２０Ａ及び他端面２０Ｂは共にＹＺ面に平行な面であって、互いにＸ方向に対向する面であり、また、面２０Ｃ及び面２０ＤはＸＺ面に平行な面であって、互いにＹ方向に対向する面である。
図１に示す光導波検出素子１００では、可視光出射口２１Ａ、近赤外光出射口２２Ａ及び反射光入射口２３Ａが一端面２０Ａに配置し、Ｘ方向で一端面２０Ｂに対向する他端面２０Ｂに可視光レーザーの入射口２１－１ｉ、２１－２ｉ、２１－３ｉ及び遠赤外光レーザーの入射口２２ｉが配置し、かつ、反射光入射口２３Ａから入射した遠赤外線光が出射する反射光出射口２３Ｂが、一端面２０Ａ及び他端面２０Ｂに直交する面２０Ｃに配置すする構成である。かかる構成は一例であって、可視光出射口２１Ａ、近赤外光出射口２２Ａ及び反射光入射口２３Ａが光導波路層２０の一端面に配置する構成であることは必須であるが、可視光レーザーの入射口２１－１ｉ、２１－２ｉ、２１－３ｉのそれぞれ及び遠赤外光レーザーの入射口２２ｉ、並びに、反射光出射口２３Ｂは一端面２０Ａ以外の３つの側面すなわち、他端面２０Ｂ、面２０Ｃ及び面２０Ｄのいずれに配置することも可能である。

図２に示す可視光出射口２１Ａと近赤外光出射口２２Ａの中心距離Ｄａは０ｍｍ～５ｍｍであることが好ましい。中心距離Ｄａは０．３ｍｍ～３ｍｍであることがより好ましく、０．５ｍｍ～２ｍｍであることがさらに好ましい。

図２に示す近赤外光出射口２２Ａと反射光入射口２３Ａの中心距離Ｄｂは０ｍｍ～５ｍｍであることが好ましい。中心距離Ｄａは０．３ｍｍ～３ｍｍであることがより好ましく、０．５ｍｍ～２ｍｍであることがさらに好ましい。

フォトディテクター３０としては、Ｓｉのｐｎ接合を用いた半導体ディテクターやＩｎＧａＡｓのｐｎ接合を用いた半導体ディテクターを例示できるが、第１強磁性層と、スペーサ層と、第２強磁性層が積層された磁気抵抗効果機能を有するスピンフォトディテクターであることが好ましい。
フォトディテクター３０は、その受光感度が、可視光に対する感度よりも近赤外光に対する感度の方が高いことが好ましい。

図１に示す光導波検出素子１００では、フォトディテクター３０を支持する支持部材４０を有する。

図４（ａ）及び（ｂ）は、フォトディテクター及び支持部材の２つの構成例のＸＺ面で切った断面模式図である。なお、フォトディテクターとしてはスピンフォトディテクターを用いた場合を示した。
図４（ａ）に示す例では、支持部材４０は、光導波路層２０が形成された基板１０とは別の部材である。支持部材４０と基板１０とは、例えば、共通の支持体上に固定されている。支持部材４０は基板１０と同様の材料からなるものでも異なるものでもよい。図４（ａ）に示す例では、スピンフォトディテクター３０は支持部材４０の上又は上方にある。スピンフォトディテクター３０は、支持部材４０上に形成された絶縁層６１内にある。
図４（ａ）に示す例では、スピンフォトディテクター３０のｚ方向の高さ位置は、第３光導波路２３の反射光出射口２３Ｂのｚ方向の高さ位置に合わせている。この例では、スピンフォトディテクター３０と光導波路層２０及び基板１０上とをそれぞれ別々に作製することが可能であり、製造時の制限が少なくなる。

図４（ｂ）に示す例では、基板１０Ａが上面に段差が形成されている点が基板１０と異なる。光導波路層２０が形成された上面Ｓ１と、フォトディテクター３０を支持する支持部材４０を備える上面Ｓ２とはｚ方向の高さ位置が異なる。上面Ｓ１は、ｚ方向から見て光導波路層２０と重なる位置における基板１０の上面である。光導波路層２０は上面Ｓ１上に形成されている。上面Ｓ２は、ｚ方向から見てスピンフォトディテクター３０と重なる位置における基板１０Ａの上面である。

支持部材４０Ａは、上面Ｓ２に載置されている。スピンフォトディテクター３０は、基板１０の上方、かつ、支持部材４０Ａ上に形成されている。

図４に例示するように、フォトディテクター３０の受光面と第３光導波路２３の反射光出射口２３Ｂとを光軸合わせして光導波検出素子１００を作製することで実質的に光軸合わせが不要になる。

（第２実施形態）
図５は、第２実施形態に係る光導波検出素子の斜視模式図である。
第２実施形態に係る光導波検出素子は、フォトディテクターが光導波路層内に形成されている点が第１実施形態に係る光導波検出素子と異なる。
以下では、第１実施形態に係る光導波検出素子で説明した構成要素と実質的に同じ部材については同じ符号を用いて説明を省略する場合がある。

図６に、フォトディテクターがスピンフォトディテクターである場合に、第２実施形態に係る光導波検出素子のスピンフォトディテクター近傍の斜視模式図を示す。図７は、第２実施形態に係る光導波検出素子１０１のスピンフォトディテクター３０の近傍の断面図である。

スピンフォトディテクター３０は、近赤外光が照射される位置にある。スピンフォトディテクター３０は、例えば、第３光導波路２３の出力端の先にある。近赤外光は、例えば、スピンフォトディテクター３０に対してスピンフォトディテクター３０の積層方向と交差する方向から照射される。近赤外光は、例えば、スピンフォトディテクター３０の側面に照射される。スピンフォトディテクター３０は、光導波路層２０が形成された基板１０と同一基板上に形成されている。すなわち、スピンフォトディテクター３０と光導波路層２０とは、一つの物品の中に組み込まれ、分離できない。スピンフォトディテクター３０は、基板１０上又は基板１０の上方にある。

スピンフォトディテクター３０は、例えば、電極４１、４２と、ビア配線４３、４４と、入力端子４５と、出力端子４６と、電気的に接続されている。

電極４１は、スピンフォトディテクター３０の第１面に接続されている。電極４２は、スピンフォトディテクター３０の第２面に接続されている。第１面と第２面とは、スピンフォトディテクター３０の積層方向において互いに対向する。

電極４１、４２は、導電性を有する材料を含む。電極４１、４２は、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、ＡｕまたはＲｕなどの金属により構成される。これらの金属の上下にＴａやＴｉを積層してもよい。また電極４１、４２として、ＣｕとＴａの積層膜、ＴａとＣｕとＴｉの積層膜、ＴａとＣｕとＴａＮの積層膜を用いてもよい。また電極４１、４２として、ＴｉＮやＴａＮを用いてもよい。

電極４１、４２は、スピンフォトディテクター３０に照射される光の波長域に対して透過性を有してもよい。例えば、電極４１、４２は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウムガリウム亜鉛（ＩＧＺＯ）等の酸化物の透明電極材料を含む透明電極でもよい。また電極４１、４２は、こられの透明電極材料の中に複数の柱状金属を有する構成としてもよい。

ビア配線４３は、入力端子４５と電極４１又は電極４２とを繋ぐ。入力端子４５は、例えば２つある。入力端子４５の一方には電流又は電圧が入力され、入力端子４５の他方は基準電位に接続されている。入力端子４５は、例えば、クラッド２８の上面に露出している。ビア配線４４は、出力端子４６と電極４１又は電極４２とを繋ぐ。出力端子４６は、例えば２つある。出力端子４６の一方からは信号が出力され、出力端子４６の他方は基準電位に接続されている。出力端子４６は、例えば、クラッド２８の上面に露出している。
ビア配線４３、４４、入力端子４５及び出力端子４６は、導電性を有する材料を含む。ビア配線４３、４４、入力端子４５及び出力端子４６の材料としては、電極４１、４２の例として挙げたものと同じものを用いることができる。

図８及び図９は、第１実施形態に係る光導波検出素子１０１のスピンフォトディテクター３０を用いた光の検出回路の一例である。図８及び図９において、電極４１は、例えば、入力端子Ｐｉｎ及び出力端子Ｐｏｕｔに接続されている。図８及び図９において、電極４２は、例えば、基準電位端子ＰＧに接続されている。入力端子Ｐｉｎは、図６及び図７における入力端子４５の一方に対応する。出力端子Ｐｏｕｔは、図６及び図７における出力端子４６の一方に対応する。基準電位端子ＰＧは、図６及び図７における入力端子４５の他方及び出力端子４６の他方に対応する。図８及び図９における基準電位は、グラウンドＧである。
グラウンドＧは光導波検出素子１０１の外部に設けられてもよい。基準電位は、グラウンドＧ以外でもよい。

スピンフォトディテクター３０は、照射される光（近赤外光Ｌ）の状態の変化を電気信号に置き換える。スピンフォトディテクター３０からの出力電圧又は出力電流は、照射される光（近赤外光Ｌ）の強度によって変化する。

入力端子Ｐｉｎは、電流源ＰＳ１又は電圧源ＰＳ２に接続されている。電流源ＰＳ１及び電圧源ＰＳ２は、光導波検出素子１０１の外部にあってもよい。入力端子Ｐｉｎが電流源ＰＳ１に接続されている場合、出力端子Ｐｏｕｔは、スピンフォトディテクター３０の積層方向の抵抗値を電圧として出力する。入力端子Ｐｉｎが電圧源ＰＳ２に接続されている場合、出力端子Ｐｏｕｔは、スピンフォトディテクター３０の積層方向の抵抗値を電流として出力する。スピンフォトディテクター３０に外部から電流または電圧を印加する必要が無い場合は、入力端子Ｐｉｎおよび電流源ＰＳ１または電圧源ＰＳ２は無くてもよい。

図１０は、第１実施形態に係るスピンフォトディテクター３０の断面図である。図１０では、電極４１、４２を同時に図示し、強磁性体の初期状態における磁化の向きを矢印で表している。

スピンフォトディテクター３０は、少なくとも第１強磁性層３１と第２強磁性層３２とスペーサ層３３とを有する。スペーサ層３３は、第１強磁性層３１と第２強磁性層３２との間に位置する。
スピンフォトディテクター３０は、これらの他に、第３強磁性層３４、磁気結合層３５、下地層３６、垂直磁化誘起層３７、キャップ層３８、側壁絶縁層３９等を有してもよい。スピンフォトディテクター３０は、積層方向からの平面視における最長幅が、例えば２０００ｎｍ以下である。スピンフォトディテクター３０は、積層方向からの平面視における最長幅が、例えば１０ｎｍ以上である。

スピンフォトディテクター３０は、例えば、スペーサ層３３が絶縁材料で構成されたＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子である。この場合、スピンフォトディテクター３０は、第１強磁性層３１の磁化Ｍ３１の状態と第２強磁性層３２の磁化Ｍ３２の状態との相対的な変化に応じて、積層方向の抵抗値（積層方向に電流を流した場合の抵抗値）が変化する。このような素子は磁気抵抗効果素子とも呼ばれる。

第１強磁性層３１は、外部から光が照射されると磁化の状態が変化する光検知層である。第１強磁性層３１は、磁化自由層とも呼ばれる。磁化自由層は、所定の外部からのエネルギーが印加された際に磁化の状態が変化する磁性体を含む層である。所定の外部からのエネルギーは、例えば、外部から照射される光（近赤外光Ｌ）、スピンフォトディテクター３０の積層方向に流れる電流、外部磁場である。第１強磁性層３１の磁化Ｍ３１は、第１強磁性層３１に照射される光（近赤外光Ｌ）の強度に応じて、状態が変化する。

第１強磁性層３１は、強磁性体を含む。第１強磁性層３１は、例えば、Ｃｏ、ＦｅまたはＮｉ等の磁性元素のいずれかを少なくとも含む。第１強磁性層３１は、上述のような磁性元素と共に、Ｂ、Ｍｇ、Ｈｆ、Ｇｄ等の非磁性元素を含んでもよい。第１強磁性層３１は、例えば、磁性元素と非磁性元素とを含む合金でもよい。第１強磁性層３１は、複数の層から構成されていてもよい。第１強磁性層３１は、例えば、ＣｏＦｅＢ合金、ＣｏＦｅＢ合金層をＦｅ層で挟んだ積層体、ＣｏＦｅＢ合金層をＣｏＦｅ層で挟んだ積層体である。

第１強磁性層３１は、膜面内方向に磁化容易軸を有する面内磁化膜でも、膜面直方向（スピンフォトディテクター３０の積層方向）に磁化容易軸を有する垂直磁化膜でもよい。

第１強磁性層３１の膜厚は、例えば、１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。第１強磁性層３１の膜厚は、例えば、１ｎｍ以上２ｎｍ以下であることが好ましい。第１強磁性層３１が垂直磁化膜の場合、第１強磁性層３１の膜厚が薄いと、第１強磁性層３１の上下にある層からの垂直磁気異方性印加効果が強まり、第１強磁性層３１の垂直磁気異方性が高まる。つまり、第１強磁性層３１の垂直磁気異方性が高いと、磁化Ｍ３１が膜面直方向に（元の状態に）戻ろうとする力が強まる。一方、第１強磁性層３１の膜厚が厚いと、第１強磁性層３１の上下にある層からの垂直磁気異方性印加効果が相対的に弱まり、第１強磁性層３１の垂直磁気異方性が弱まる。

第１強磁性層３１の膜厚が薄くなると強磁性体としての体積は小さくなり、厚くなると強磁性体としての体積は大きくなる。外部からのエネルギーが加わったときの第１強磁性層３１の磁化Ｍ３１の反応しやすさは、第１強磁性層３１の磁気異方性（Ｋｕ）と体積（Ｖ）との積（ＫｕＶ）に反比例する。つまり、第１強磁性層３１の磁気異方性と体積との積が小さくなると、光に対する反応性が高まる。このような観点から、光に対する反応を高めるためには、第１強磁性層３１の磁気異方性を適切に設計したうえで第１強磁性層３１の体積を小さくすることが好ましい。

第１強磁性層３１の膜厚が２ｎｍより厚い場合は、例えばＭｏ，Ｗからなる挿入層を第１強磁性層３１内に設けてもよい。すなわち、強磁性層、挿入層、強磁性層が順に積層された積層体を第１強磁性層３１としてもよい。挿入層と強磁性層との界面における界面磁気異方性により第１強磁性層３１全体の垂直磁気異方性が高まる。挿入層の膜厚は、例えば、０．１ｎｍ～０．６ｎｍである。

第２強磁性層３２は、磁化固定層である。磁化固定層は、所定の外部からのエネルギーが印加された際に磁化の状態が磁化自由層よりも変化しにくい磁性体からなる層である。
例えば、磁化固定層は、所定の外部からのエネルギーが印加された際に磁化の向きが磁化自由層よりも変化しにくい。また、例えば、磁化固定層は、所定の外部からのエネルギーが印加された際に磁化の大きさが磁化自由層よりも変化しにくい。第２強磁性層３２の保磁力は、例えば、第１強磁性層３１の保磁力よりも大きい。第２強磁性層３２は、例えば第１強磁性層３１と同じ方向に磁化容易軸を有する。第２強磁性層３２は、面内磁化膜でも、垂直磁化膜でもよい。

第２強磁性層３２を構成する材料は、例えば、第１強磁性層３１と同様である。第２強磁性層３２は、例えば、０．４ｎｍ～１．０ｎｍの厚みのＣｏ、０．１ｎｍ～０．５ｎｍの厚みのＭｏ、０．３ｎｍ～１．０ｎｍの厚みのＣｏＦｅＢ合金、０．３ｎｍ～１．０ｎｍの厚みのＦｅが順に積層された積層体でもよい。

第２強磁性層３２の磁化Ｍ３２は、例えば、磁気結合層３５を介した第３強磁性層３４との磁気結合によって固定してもよい。この場合、第２強磁性層３２、磁気結合層３５及び第３強磁性層３４を合わせたものを磁化固定層と称する場合もある。

第３強磁性層３４は、例えば、第２強磁性層３２と磁気結合する。磁気結合は、例えば、反強磁性的な結合であり、ＲＫＫＹ相互作用により生じる。第３強磁性層３４を構成する材料は、例えば、第１強磁性層３１と同様である。磁気結合層３５は、例えば、Ｒｕ、Ｉｒ等である。

スペーサ層３３は、第１強磁性層３１と第２強磁性層３２との間に配置される非磁性層である。スペーサ層３３は、導電体、絶縁体もしくは半導体によって構成される層、又は、絶縁体中に導体によって構成される通電点を含む層で構成される。スペーサ層３３の膜厚は、後述する初期状態における第１強磁性層３１の磁化Ｍ３１と第２強磁性層３２の磁化Ｍ３２の配向方向に応じて調整できる。

例えば、スペーサ層３３が絶縁体からなる場合は、スピンフォトディテクター３０は、第１強磁性層３１とスペーサ層３３と第２強磁性層３２とからなる磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を有する。このような素子はＭＴＪ素子と呼ばれる。この場合、スピンフォトディテクター３０はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果を発現することができる。スペーサ層３３が金属からなる場合は、スピンフォトディテクター３０は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果を発現することができる。このような素子はＧＭＲ素子と呼ばれる。スピンフォトディテクター３０は、スペーサ層３の構成材料によって、ＭＴＪ素子、ＧＭＲ素子などと呼び名が異なることがあるが、総称して磁気抵抗効果素子とも呼ばれる。

スペーサ層３３が絶縁材料で構成される場合、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化チタン又は酸化ケイ素等を含む材料をスペーサ層３３に用いることができる。また、スペーサ層３３は、これら絶縁材料に、Ａｌ、Ｂ、Ｓｉ、Ｍｇなどの元素や、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉなどの磁性元素を含んだものでもよい。第１強磁性層３１と第２強磁性層３２との間に高いＴＭＲ効果が発現するようにスペーサ層３３の膜厚を調整することで、高い磁気抵抗変化率が得られる。ＴＭＲ効果を効率よく利用するためには、スペーサ層３３の膜厚は、０．５～５．０ｎｍ程度としてもよく、１．０～２．５ｎｍ程度としてもよい。

スペーサ層３３を非磁性導電材料で構成する場合、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ又はＲｕ等の導電材料を用いることができる。ＧＭＲ効果を効率よく利用するためには、スペーサ層３３の膜厚は、０．５～５．０ｎｍ程度としてもよく、２．０～３．０ｎｍ程度としてもよい。

スペーサ層３３を非磁性半導体材料で構成する場合、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化錫、酸化ゲルマニウム、酸化ガリウム又はＩＴＯ等の材料を用いることができる。この場合、スペーサ層３３の膜厚は１．０～４．０ｎｍ程度としてもよい。

スペーサ層３３として非磁性絶縁体中の導体によって構成される通電点を含む層を適用する場合、酸化アルミニウムまたは酸化マグネシウムによって構成される非磁性絶縁体中に、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌなどの非磁性の導体によって構成される通電点を含む構造としてもよい。また、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉなどの磁性元素によって導体を構成してもよい。この場合、スペーサ層３３の膜厚は、１．０～２．５ｎｍ程度としてもよい。通電点は、例えば、膜面に垂直な方向からみたときの直径が１ｎｍ以上５ｎｍ以下の柱状体である。

下地層３６は、第２強磁性層３２と電極４２との間にある。下地層３６は、シード層又はバッファ層である。シード層は、シード層上に積層される層の結晶性を高める。シード層は、例えば、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｈｆ、Ｚｒ、ＮｉＦｅＣｒである。シード層の膜厚は、例えば１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。バッファ層は、異なる結晶間の格子不整合を緩和する層である。バッファ層は、例えば、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｚｒ、Ｈｆ又はこれらの元素の窒化物である。バッファ層の膜厚は、例えば、１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。

キャップ層３８は、第１強磁性層３１と電極４１との間にある。キャップ層３８は、プロセス過程で下層へのダメージを防ぐと共に、アニール時に下層の結晶性を高める。キャップ層３８の膜厚は、第１強磁性層３１に十分な光が照射されるように、例えば３ｎｍ以下である。キャップ層３８は、例えば、ＭｇＯ、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、Ｃｒまたはこれらの積層膜などである。

垂直磁化誘起層３７は、第１強磁性層３１が垂直磁化膜の場合に形成される。垂直磁化誘起層３７は、第１強磁性層３１上に積層される。垂直磁化誘起層３７は、第１強磁性層３１の垂直磁気異方性を誘起する。垂直磁化誘起層３７は、例えば酸化マグネシウム、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ等である。垂直磁化誘起層３７が酸化マグネシウムの場合は、導電性を高めるために、酸化マグネシウムが酸素欠損していることが好ましい。垂直磁化誘起層３７の膜厚は、例えば、０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下である。

側壁絶縁層３９は、第１強磁性層３１及び第２強磁性層３２を含む積層体の周囲を覆う。側壁絶縁層３９は、例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇの酸化物、窒化物、酸窒化物である。

スピンフォトディテクター３０は、各層の積層工程、アニール工程、加工工程によって作製される。まず基板１０上（クラッド２８の一部の上）に、電極４２、下地層３６、第３強磁性層３４、磁気結合層３５、第２強磁性層３２、スペーサ層３３、第１強磁性層３１、垂直磁化誘起層３７、キャップ層３８の順に積層する。基板１０は、光導波路層２０が形成されている基板と同一である。各層は、例えば、スパッタリングにより成膜される。

次いで、積層膜をアニールする。アニール温度は、例えば、２５０℃から４５０℃である。その後、積層膜をフォトリソグラフィ及びエッチングにより所定の柱状体に加工する。柱状体は、円柱でも角柱でもよい。例えば、柱状体を積層方向から見た際の最短幅は、１０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下としてもよく、３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下としてもよい。

次いで、柱状体の側面を被覆するように、絶縁層を形成する。絶縁層は、側壁絶縁層３９となる。側壁絶縁層３９は、複数回に亘って積層してもよい。次いで、化学機械研磨（ＣＭＰ）により側壁絶縁層３９からキャップ層３８の上面を露出し、キャップ層３８上に、電極４１を作製する。上記工程により、スピンフォトディテクター３０が得られる。スピンフォトディテクター３０は、下地を構成する材料によらず作製できる。そのため、スピンフォトディテクター３０は、接着層等を介さずに、光導波路層２０が形成された基板１０上に直接作製できる。スピンフォトディテクター３０は、光導波路層２０と共に同じ基板１０上のプロセスにより形成することができる。例えば、光導波路層２０及びスピンフォトディテクター３０は、同一の基板１０上に、真空成膜プロセスにより形成することが可能である。

図１１は、スピンフォトディテクター３０の動作の第１メカニズムを説明するための図である。図１１の上のグラフは、縦軸が第１強磁性層３１に照射される光の強度であり、横軸が時間である。図１１の下のグラフは、縦軸がスピンフォトディテクター３０の積層方向の抵抗値であり、横軸が時間である。

まず第１強磁性層３１に第１強度の光が照射された状態（以下、初期状態と称する）において、第１強磁性層３１の磁化Ｍ３１と第２強磁性層３２の磁化Ｍ３２とは平行の関係にあり、スピンフォトディテクター３０の積層方向の抵抗値は第１抵抗値Ｒ１を示し、スピンフォトディテクター３０からの出力電圧又は出力電流の大きさは第１の値を示す。第１強度は、第１強磁性層３１に照射される光の強度がゼロの場合でもよい。

スピンフォトディテクター３０の積層方向の抵抗値は、例えば、スピンフォトディテクター３０の積層方向にセンス電流を流すと、スピンフォトディテクター３０の積層方向の両端に電圧が発生し、その電圧値からオームの法則を用いて求められる。スピンフォトディテクター３０からの出力電圧は、電極４１と電極４２との間に発生する。図１１に示す例の場合、センス電流を第１強磁性層３１から第２強磁性層３２に向かって流すことが好ましい。この方向にセンス電流を流すことで、第１強磁性層３１の磁化Ｍ３１に対して、第２強磁性層３２の磁化Ｍ３２と同じ方向のスピントランスファートルクが作用し、初期状態において磁化Ｍ３１と磁化Ｍ３２とが平行になる。また、この方向にセンス電流を流すことで、第１強磁性層３１の磁化Ｍ３１が動作時に反転することを防止することができる。

次いで、第１強磁性層３１に照射される光の強度が変化する。光の照射による外部からのエネルギーによって第１強磁性層３１の磁化Ｍ３１は初期状態から傾く。第１強磁性層３１に光が照射されていない状態における第１強磁性層３１の磁化Ｍ３１の方向と、光が照射された状態における磁化Ｍ３１の方向との角度は、いずれも０°より大きく９０°より小さい。

第１強磁性層３１の磁化Ｍ３１が初期状態から傾くと、磁気抵抗効果素子３０の積層方向の抵抗値は変化する。そして、スピンフォトディテクター３０からの出力電圧又は出力電流は変化する。例えば、スピンフォトディテクター３０に照射される光（近赤外光Ｌ）の強度が大きくなるほど、磁化Ｍ３１の初期状態に対する傾きは大きくなる。例えば、第１強磁性層３１の磁化Ｍ３１の傾きに応じて、スピンフォトディテクター３０の積層方向の抵抗値は、第２抵抗値Ｒ２、第３抵抗値Ｒ３、第４抵抗値Ｒ４と変化し、スピンフォトディテクター３０からの出力電圧又は出力電流は第２の値、第３の値、第４の値と変化する。第１抵抗値Ｒ１、第２抵抗値Ｒ２、第３抵抗値Ｒ３、第４抵抗値Ｒ４の順に抵抗値は大きくなる。第１の値、第２の値、第３の値、第４の値の順にスピンフォトディテクター３０からの出力電圧は大きくなる。スピンフォトディテクター３０が定電圧源に接続されている場合、第１の値、第２の値、第３の値、第４の値の順にスピンフォトディテクター３０からの出力電流は小さくなる。

スピンフォトディテクター３０は、スピンフォトディテクター３０に照射される光（近赤外光Ｌ）の強度が変化した際に、スピンフォトディテクター３０からの出力電圧又は出力電流（スピンフォトディテクター３０の積層方向の抵抗値）が変化する。したがって、スピンフォトディテクター３０は、近赤外光Ｌの強度をスピンフォトディテクター３０からの出力電圧又は出力電流（スピンフォトディテクター３０の抵抗値）として検出できる。

第１強磁性層３１の磁化Ｍ３１には第２強磁性層３２の磁化Ｍ３２と同じ方向のスピントランスファートルクが作用するので、第１強磁性層３１に照射される光の強度が第１強度に戻ると、初期状態から傾いた磁化Ｍ３１は、初期状態に戻る。磁化Ｍ３１が初期状態に戻ると、スピンフォトディテクター３０の積層方向の抵抗値は、第１抵抗値Ｒ１に戻り、スピンフォトディテクター３０からの出力電圧又は出力電流は第１の値に戻る。

ここでは初期状態において磁化Ｍ３１と磁化Ｍ３２とが平行な場合を例に説明したが、初期状態において磁化Ｍ３１と磁化Ｍ３２とが反平行でもよい。この場合、スピンフォトディテクター３０の積層方向の抵抗値は、磁化Ｍ３１が傾くほど（磁化Ｍ３１の初期状態からの角度変化が大きくなるほど）小さくなる。磁化Ｍ３１と磁化Ｍ３２とが反平行な場合を初期状態とする場合は、センス電流は第２強磁性層３２から第１強磁性層３１に向かって流すことが好ましい。この方向にセンス電流を流すことで、第１強磁性層３１の磁化Ｍ３１に対して、第２強磁性層３２の磁化Ｍ３２と反対方向のスピントランスファートルクが作用し、初期状態において磁化Ｍ３１と磁化Ｍ３２とが反平行になる。

図１２は、スピンフォトディテクター３０の動作の第２メカニズムを説明するための図である。図１２の上のグラフは、縦軸が第１強磁性層３１に照射される光の強度であり、横軸が時間である。図１２の下のグラフは、縦軸がスピンフォトディテクター３０の積層方向の抵抗値であり、横軸が時間である。

図１２に示す初期状態は、図１１に示す初期状態と同様である。図１２に示す例の場合も、センス電流を第１強磁性層３１から第２強磁性層３２に向かって流すことが好ましい。この方向にセンス電流を流すことで、第１強磁性層３１の磁化Ｍ３１に対して、第２強磁性層３２の磁化Ｍ３２と同じ方向のスピントランスファートルクが作用し、初期状態が維持される。

次いで、第１強磁性層３１に照射される光（近赤外光）の強度が変化する。光の照射による外部からのエネルギーによって第１強磁性層３１の磁化Ｍ３１の大きさは初期状態から小さくなる。第１強磁性層３１の磁化Ｍ３１が初期状態から小さくなると、磁気抵抗効果素子３０の積層方向の抵抗値は変化する。そして、スピンフォトディテクター３０からの出力電圧又は出力電流は変化する。例えば、スピンフォトディテクター３０に照射される光（近赤外光Ｌ）の強度が大きくなるほど、磁化Ｍ３１の大きさは小さくなる。例えば、第１強磁性層３１の磁化Ｍ３１の大きさに応じて、スピンフォトディテクター３０の積層方向の抵抗値は、第２抵抗値Ｒ２、第３抵抗値Ｒ３、第４抵抗値Ｒ４と変化し、スピンフォトディテクター３０からの出力電圧又は出力電流は第２の値、第３の値、第４の値と変化する。第１抵抗値Ｒ１、第２抵抗値Ｒ２、第３抵抗値Ｒ３、第４抵抗値Ｒ４の順に抵抗値は大きくなる。第１の値、第２の値、第３の値、第４の値の順にスピンフォトディテクター３０からの出力電圧は大きくなる。スピンフォトディテクター３０が定電圧源に接続されている場合、第１の値、第２の値、第３の値、第４の値の順にスピンフォトディテクター３０からの出力電流は小さくなる。

第１強磁性層３１に照射される光の強度が第１強度に戻ると、第１強磁性層３１の磁化Ｍ３１の大きさは元に戻り、スピンフォトディテクター３０は初期状態に戻る。すなわち、スピンフォトディテクター３０の積層方向の抵抗値は、第１抵抗値Ｒ１に戻り、スピンフォトディテクター３０からの出力電圧又は出力電流は第１の値に戻る。

図１２においても、初期状態において磁化Ｍ３１と磁化Ｍ３２とが反平行としてもよい。
この場合、スピンフォトディテクター３０の積層方向の抵抗値は、磁化Ｍ３１の大きさが小さくなるほど、小さくなる。磁化Ｍ３１と磁化Ｍ３２とが反平行な場合を初期状態とする場合は、センス電流は第２強磁性層３２から第１強磁性層３１に向かって流すことが好ましい。

上述の手順を経て、レーザーダイオード６０－１から出力される光の強度を、スピンフォトディテクター３０からの出力電圧又は出力電流（スピンフォトディテクター３０の積層方向の抵抗値）として読み取ることができる。そして、同様の手順で、レーザーダイオード６０－２から出力される光の強度及びレーザーダイオード６０－３から出力される光の強度を順次測定する。

第１光導波路２１の可視光出射口２１Ａから出力される光は、それぞれのレーザーダイオード６０－１、６０－２、６０－３から出力される光を合わせたものである。それぞれのレーザーダイオード６０－１、６０－２、６０－３から出力される光の強度を調整することで、光導波検出素子１０１からの出力光のホワイトバランスを調整できる。それぞれのレーザーダイオード６０－１、６０－２、６０－３から出力される光の強度は、例えば、スピンフォトディテクター３０からの出力の測定結果を、それぞれのレーザーダイオード６０－１、６０－２、６０－３にフィードバックすることで調整できる。

また第１強磁性層３１の磁化Ｍ３１は、第１強磁性層３１の体積が小さいほど光の照射に対して変化しやすくなる。つまり、第１強磁性層３１の磁化Ｍ３１は、第１強磁性層３１の体積が小さいほど光の照射により傾きやすい、又は、光の照射により小さくなりやすい。換言すると、第１強磁性層３１の体積を小さくすると、わずかな光量の光でも磁化Ｍ３１を変化させることができる。すなわち、第１実施形態に係るスピンフォトディテクター３０は、高感度に光を検知できる。

より正確には、磁化Ｍ３１の変化しやすさは、第１強磁性層３１の磁気異方性（Ｋｕ）と体積（Ｖ）との積（ＫｕＶ）の大きさで決定される。ＫｕＶが小さいほどより微小な光量でも磁化Ｍ３１は変化し、ＫｕＶが大きいほどより大きな光量でないと磁化Ｍ３１は変化しない。つまり、アプリケーションで使用する外部から照射する光の光量に応じて、第１強磁性層３１のＫｕＶを設計することになる。極めて微小な光量検出のようなことを想定した場合には、第１強磁性層３１のＫｕＶを小さくすることで、これらの微小な光量の光の検出が可能となる。このような微小な光量の光の検出は、従来のｐｎ接合の半導体では素子サイズを小さくすると難しくなるため、大きなメリットである。第１強磁性層３１の体積を小さくすることで、ＫｕＶを小さくできる。

上述のように、第２実施形態に係る光導波検出素子１０１は、スピンフォトディテクター３０の出力電圧又は出力電流（スピンフォトディテクター３０の積層方向の抵抗値）からレーザーダイオード６０－１、６０－２、６０－３のそれぞれから出力される光の強度を読み取ることができる。第１実施形態に係る光導波検出素子１０１は、それぞれのレーザーダイオード６０－１、６０－２、６０－３から出力される光の強度を調整することで、第１光導波路２１の可視光出射口２１Ａから出力される光のホワイトバランスを調整できる。

以上、第２実施形態について図面を参照して詳述したが、第２実施形態はこの例に限られるものではない。

例えば、図１３に示すように、スピンフォトディテクター３０の積層方向がｚ方向に対して傾斜していてもよい。この場合、近赤外光は、スピンフォトディテクター３０の側面及びスピンフォトディテクター３０の電極４１側の第１面に照射される。

（第３実施形態）
第３実施形態に係る光導波検出素子は、スピンフォトディテクターの構成が第２実施形態に係る光導波検出素子と異なる。
図１４は、第３実施形態に係る光導波検出素子１０２のスピンフォトディテクター３０近傍の斜視図である。図１５は、第３実施形態に係る光導波検出素子１０２のスピンフォトディテクター３０近傍の断面図である。図１６は、第３実施形態に係る光導波検出素子１０２のスピンフォトディテクター３０近傍の別の断面図である。
第３実施形態において、第１実施形態及び第２実施形態と同様の構成は同様の符号を付し、説明を省く。

光導波検出素子１０２は、リフレクタ５０を有する。リフレクタ５０は、第３光導波路２３から出力される光（近赤外光）をスピンフォトディテクター３０に向かって反射する。リフレクタ５０は、第３光導波路２３の出力端から近赤外光の進行方向の位置にある。リフレクタ５０は、近赤外光の進行方向に対して傾斜する傾斜面を有する。

リフレクタ５０は、光を反射するものである。リフレクタ５０は、例えば、反射鏡である。

スピンフォトディテクター３０は、クラッド２８上に形成された絶縁層２９内に形成されている。絶縁層２９は、例えば、側壁絶縁層３９と同様の材料である。スピンフォトディテクター３０は、基板１０の上方にある。スピンフォトディテクター３０は、光導波路層２０と異なる高さ位置にあり、光導波路層２０より基板１０から離れた位置にある。スピンフォトディテクター３０は、例えば、リフレクタ５０の上方にある。

リフレクタ５０で反射された光（近赤外光）は、例えば、スピンフォトディテクター３０にスピンフォトディテクター３０の積層方向から照射される。この場合、電極４２は、スピンフォトディテクター３０に照射される光の波長域に対して透過性を有する。電極４２が近赤外光の一部を透過することで、スピンフォトディテクター３０に近赤外光が照射される。ここでは、電極４２が電極４１よりリフレクタ５０側に配置される例を例示したが、電極４１が電極４２よりリフレクタ５０側に配置されてもよい（第１強磁性層３１が第２強磁性層３２よりリフレクタ５０側に配置されてもよい）。この場合、電極４１は、スピンフォトディテクター３０に照射される光の波長域に対して透過性を有する。電極４１が電極４２よりリフレクタ５０側に配置されると、第１強磁性層３１への近赤外光の照射効率が高まる。

第３実施形態にかかる光導波検出素子１０２は、光導波検出素子１０１と同様の効果を奏する。またリフレクタ５０によりスピンフォトディテクター３０に対する近赤外光の照射方向を自由に設計できる。例えば、スピンフォトディテクター３０に対して積層方向から近赤外光が照射されると、スピンフォトディテクター３０の受光面積を広く確保できる。

（第４実施形態）
図１７は、第４実施形態に係る光導波検出素子の斜視模式図である。
第４実施形態において、第１実施形態、第２実施形態及び第３実施形態と同様の構成は同様の符号を付し、説明を省く。

図１７に示す光導波検出素子１０３は、近赤外光出射口２２Ａと反射光入射口２３Ａとが共通する。すなわち、第２光導波路ｚと第３光導波路２３－１とが光導波路層２０の一端面２０Ａの近傍で合流して、共通の近赤外光入出射口２２Ａ（２３Ａ）を有する構成となる。近赤外光出射口２２Ａと反射光入射口２３Ａの中心距離Ｄｂはゼロである構成である。

この構成では、近赤外光の出射光と近赤外光の反射入射光を分離するために、第２光導波路２２－１において、レーザー素子７０に反射光が逆流しないように、逆流防止機構を設けてもよい。

上記実施形態の光導波路層２０が備える第１光導波路２１及び第２光導波路２２については、一部又はすべてがマッハツェンダー型光導波路であり、変調電圧印加用の電極を備える構成であってもよい。この場合、変調信号に応じた変調電圧Ｖｍが印加される。

〔映像レーザーモジュール〕
本実施形態に係る映像レーザーモジュールは、上記実施形態に係る光導波検出素子と、光導波検出素子が備える第１光導波路（可視光導波路）の入射口と同数の可視光レーザー光源と、及び第２光導波路（近赤外光導波路）の入射口と同数の近赤外光レーザー光源とを備える。
本実施形態に係る映像レーザーモジュールを用いて、近赤外光レーザー光源から発せられる近赤外光で目を照射し、目から反射される近赤外光を光導波検出素子が備えるフォトディレクターで検出することによってアイトラッキング（視線追跡）を行うことが可能である。

本実施形態に係る映像レーザーモジュールは、映像用の可視光源モジュールとアイトラッキング用の近赤外光源モジュールとがワンモジュールになっているため、大幅な小型化が実現可能である。また、映像用の可視光源モジュール及びアイトラッキング用の近赤外光源モジュールの光軸合わせが不要となる。従って、本実施形態に係る映像レーザーモジュールがグラスに搭載されたＸＲグラスを製造する際に作業効率が大幅に向上する。

（第１実施形態）
図１８は、第１実施形態に係る映像レーザーモジュールの斜視模式図である。
図１８に示す映像レーザーモジュール１０００は、図１に示した光導波検出素子１００と、光導波検出素子１００が備える第１光導波路２１の３個の入射口２１－１ｉ、２１－２ｉ、２１－３ｉのそれぞれに向けて可視光レーザーを出力する赤色レーザー光源６０－１、緑色レーザー光源６０－２、青色レーザー光源６０－３と、光導波検出素子１００が備える第２光導波路２２の入射口２２ｉに向けて近赤外光レーザーを出力する近赤外光レーザー光源７０とを備える。

可視光レーザー光源６０及び近赤外光レーザー光源７０はそれぞれ、レーザーダイオード（ＬＤ）である。赤色レーザー光源６０－１は例えば、５９０ｎｍ以上８００ｎｍ以下の波長域の光を出力するレーザーであり、緑色レーザー光源６０－２は例えば、４９０ｎｍ以上５９０ｎｍ未満の波長域の光を出力するレーザーであり、青色レーザー光源６０－３は例えば、３８０ｎｍ以上４９０ｎｍ未満の波長域の光を出力するレーザーであり、近赤外光レーザー光源７０は例えば、波長７８０ｎｍ～２．０μｍの波長域の近赤外光を出力するレーザーである。

第１光導波路（可視光導波路）はそれぞれ、レーザーダイオード６０－１、６０－２、６０－３のそれぞれに光学的に接続されている。また、第２光導波路（近赤外光導波路）はレーザーダイオード７０に光学的に接続されている。

レーザーダイオード（ＬＤ）６０－１、６０－２、６０－３、及び、レーザーダイオード（ＬＤ）７０はそれぞれ、例えば、ベアチップ（パッケージ化されていないチップ）でサブキャリア６１－１、６１－２、６１－３、７１に実装可能である。サブキャリア６１－１、６１－２、６１－３、７１は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリコン（Ｓｉ）等で構成されている。図１９に示すように、サブキャリア６１－１、６１－２、６１－３、７１とＬＤ６０－１、６０－２、６０－３、及び、ＬＤ７０との間には、金属層７５，７６が設けられている。サブキャリア６１－１、６１－２、６１－３、７１とＬＤ６０－１、６０－２、６０－３、ＬＤ７０とは、金属層７５，７６を介して接続されている。金属層７５，７６を形成する方法としては、公知の方法が利用可能で特に問わないが、スパッタ、蒸着、ペースト化した金属の塗布等の公知手法が利用可能である。金属層７５，７６は、例えば金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、鉛（Ｐｂ）、インジウム（Ｉｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）及びタンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、金（Ａｕ）とスズ（Ｓｎ）の合金、スズ（Ｓｎ）－銀（Ａｇ）－銅（Ｃｕ）系はんだ合金（ＳＡＣ）、ＳｎＣｕ、ＩｎＢｉ、ＳｎＰｄＡｇ、ＳｎＢｉＩｎ及びＰｂＢｉＩｎからなる群から選択される１又は複数の金属を含み、この群から選択される１種又は複数の金属で構成されていてもよい。

図１９（ａ）は近赤外光ＬＤ７０及び第３光導波路２２の近傍を拡大した平面模式図であり、 図１９（ｂ）は、図１９（ａ）においてＸ１－Ｘ１線で切断した断面模式図である。なお、図１９（ａ）においては、近赤外光ＬＤ７０及びサブキャリア７１と第３光導波路２２のみを図示した。
各光導波路２１－１、２１－２、２１－３、２２の入射口２１－１ｉ、２１－２ｉ、２１－３ｉ、２２ｉが各ＬＤ６０－１、６０－２、６０－３、７０の出射口と対向し、各ＬＤ６０－１、６０－２、６０－３、７０の出射口から出射される光が各入射口２１－１ｉ、２１－２ｉ、２１－３ｉ、２２ｉに入射可能に位置決めされて、各ＬＤ６０－１、６０－２、６０－３、７０と各光導波路２１－１、２１－２、２１－３、２２とが光学的に接続されている。
例えば、入射路２２の軸線ＪＸ－１は、ＬＤ７０の出射口７０ａから出射されるレーザー光ＬＲの光軸ＡＸＲと略重なっている。このような構成及び配置によって、各ＬＤ６０－１、６０－２、６０－３、７０から発せられる赤色光、緑色光、青色光、近赤外光は、各光導波路２１－１、２１－２、２１－３、２２の入射路に入射可能である。

図１９に示すように、サブキャリア７１は、金属層９３（第１金属層９３ａ，第２金属層９３ｂ，第３金属層９３ｃ）を介して基板１０と直接接合された構成とすることができる。この構成によって、空間結合やファイバ結合をしないことによりさらに小型化が可能となる。
本実施形態では、サブキャリア７１において基板１０に対向する側面（第１側面）７１Ａと基板１０においてサブキャリア７１に対向する側面（第２側面）１０ＡＡとは、第１金属層９３ａ、第２金属層９３ｂ、第３金属層９３ｃ、反射防止膜８１を介して接続されている。金属層７５の融点は、第３金属層９３ｃの融点よりも高い。

第１金属層９３ａは、スパッタ又は蒸着等によって側面７１Ａに当接した状態で設けられ、例えば金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、鉛（Ｐｂ）、インジウム（Ｉｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）及びタンタル（Ｔａ）からなる群から選択される１又は複数の金属を含み、この群から選択される１又は複数の金属で構成されていてもよい。好ましくは、第１金属層９３ａが、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、鉛（Ｐｂ）、インジウム（Ｉｎ）、ニッケル（Ｎｉ）からなる群から選択される少なくとも１つの金属を含む。第２金属層９３ｂは、スパッタ又は蒸着等によって側面１０ＡＡに当接した状態で設けられ、例えばチタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）及びタングステン（Ｗ）からなる群から選択される１又は複数の金属を含み、この群から選択される１又は複数の金属で構成されていてもよい。好ましくは、第２金属層９３ｂに、タンタル（Ｔａ）が用いられる。第３金属層９３ｃは、第１金属層９３ａと第２金属層９３ｂとの間に介在し、例えばアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、ＡｕＳｎ、ＳｎＣｕ、ＩｎＢｉ、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＰｄＡｇ、ＳｎＢｉＩｎ及びＰｂＢｉＩｎからなる群から選択される１又は複数の金属を含み、この群から選択される１又は複数の金属で構成されていてもよい。好ましくは、第３金属層９３ｃに、ＡｕＳｎ、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＢｉＩｎが用いられる。

第１金属層９３ａの厚み、即ち第１金属層９３ａのｙ方向の大きさは、例えば０．０１μｍ以上５．００μｍ以下である。第２金属層９３ｂの厚み、即ち第２金属層９３ｂのｙ方向の大きさは、例えば０．０１μｍ以上１．００μｍ以下である。第３金属層９３ｃの厚み、即ちｙ方向の大きさは、例えば０．０１μｍ以上５．００μｍ以下である。また、第３金属層９３ｃの厚みは、第１金属層９３ａ及び第２金属層９３ｂの各厚みより大きいことが好ましい。このような構成では、第１金属層９３ａ、第２金属層９３ｂ、第３金属層９３ｃの前述の各役割が良好に発現され、基板１０に対する第１金属層９３ａの材料の進入及び各金属層同士の接着強度の低下が抑えられる。第１金属層９３ａ、第２金属層９３ｂおよび第３金属層９３ｃの厚みは、例えば分光エリプソメトリにより測定される。

第１金属層９３ａは、金属層７５に接触しない状態で、側面７１Ａの略全域において基板１０又は光導波路層２０に対向する側面に設けられている。第２金属層９３ｂ及び第３金属層９３ｃのｚ方向の前端、即ち上端は、例えばｚ方向の前側では第１金属層９３ａの上端と同じ位置に達している。第２金属層９３ｂ及び第３金属層９３ｃのｚ方向の後端、即ち下端は、例えばサブキャリア７１，第１金属層９３ａ及び基板１０の下端と同じ位置に達している。ｙ方向に沿って見たとき、ｘ方向において第１金属層９３ａはサブキャリア７１より大きく形成されている。

上述の構成のように、第１金属層９３ａの面積、即ちｘ方向及びｚ方向を含む面内の大きさは、第２金属層９３ｂ及び第３金属層９３ｃの面積と略同じであり、かつその下端がサブキャリア６１－１、６１－２、６１－３、７１の下端と同じ位置に達していることが好ましい。このような構成では、基板１０に対するサブキャリア６１－１、６１－２、６１－３、７１の接続強度が最大限に確保される。すなわち、例えばＬＤ６０－１、６０－２、６０－３、７０及びサブキャリア６１－１、６１－２、６１－３、７１の各々と複数の内部電極のうち各ＬＤ６０－１、６０－２、６０－３、７０に対応する内部電極パッドとを、ワイヤーボンディングを用いてワイヤーによって接続する場合であっても、サブキャリア６１－１、６１－２、６１－３、７１と基板１０との接続が解除されることを抑制できる。またサブキャリア７１、第１金属層９３ａ、第２金属層９３ｂ、第３金属層９３ｃ及び基板１０の下端が同じ位置に達していることで、サブキャリア６１－１、６１－２、６１－３、７１からの放熱パスを増やすことができる。尚、第１金属層９３ａの面積は第２金属層９３ｂ及び第３金属層９３ｃの面積より小さくてもよい。

映像レーザーモジュール１０００では、ＬＤ６０－１、６０－２、６０－３、７０と光導波路層２０との間に反射防止膜８１が設けられている。例えば、反射防止膜８１は、基板１０の側面１０ＡＡと光導波路層２０の入射面２０Ｂとに、一体的に形成されている。但し、反射防止膜８１は、光導波路層２０の入射面２０Ｂのみに形成されていてもよい。

反射防止膜８１は、光導波路層２０への入射光が入射面２０Ｂから進入する方向とは逆向きに反射することを防止し、入射光の透過率を高めるための膜である。反射防止膜８１は、例えば複数の種類の誘電体が、入射光である赤色光、緑色光、青色光の波長に応じた所定の厚みで交互に積層されることによって形成される多層膜である。前述の誘電体としては、例えば酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）等が挙げられる。

ＬＤ７０の出射面７０Ａと光導波路層２０の入射面２０Ｂとは、所定の間隔で配置されている。入射面２０Ｂは出射面７０Ａと対向しており、ｙ方向において出射面７０Ａと入射面２０Ｂとの間には隙間Ｓがある。映像レーザーモジュール１０００は空気中に露出されているので、隙間Ｓには空気が満ちている。隙間Ｓが同じガス（空気）で充填された状態となるため、ＬＤ７０から出射された各色光を所定の結合効率を満たした状態で入射路に入射させることが容易である。映像レーザーモジュール１０００がＡＲグラス、ＶＲグラスに用いられる場合、ＡＲグラス、ＶＲグラスで求められる光量等をふまえると、隙間（間隔）Ｓのｙ方向の大きさは、例えば０μｍより大きく、５μｍ以下である。

（第２実施形態）
図２０は、第２実施形態に係る映像レーザーモジュールの斜視模式図である。
第２実施形態に係る映像レーザーモジュールは、フォトディテクターが光導波路層内に形成されている点が第１実施形態に係る光導波検出素子と異なる。
以下では、第１実施形態に係る映像レーザーモジュールで説明した構成要素と実質的に同じ部材については同じ符号を用いて説明を省略する場合がある。

図２０に示す映像レーザーモジュール１００１は、図５に示した光導波検出素子１０１と、光導波検出素子１０１が備える第１光導波路２１の３個の入射口２１－１ｉ、２１－２ｉ、２１－３ｉのそれぞれに向けて可視光レーザーを出力する赤色レーザー光源６０－１、緑色レーザー光源６０－２、青色レーザー光源６０－３と、光導波検出素子１００が備える第２光導波路２２の入射口２２ｉに向けて近赤外光レーザーを出力する近赤外光レーザー光源７０とを備える。

（第３実施形態）
第３実施形態に係る映像レーザーモジュールは、スピンフォトディテクターの構成が第２実施形態に係る映像レーザーモジュールと異なる。
以下では、第１実施形態及び第２実施形態に係る映像レーザーモジュールで説明した構成要素と実質的に同じ部材については同じ符号を用いて説明を省略する場合がある。

第３実施形態に係る映像レーザーモジュールは、図１４に示したスピンフォトディテクター３０を有する光導波検出素子１０２を備える。

（第４実施形態）
図２１は、第４実施形態に係る映像レーザーモジュールの斜視模式図である。
第４実施形態において、第１実施形態、第２実施形態及び第３実施形態と同様の構成は同様の符号を付し、説明を省く。

図２１示す映像レーザーモジュール１００３は、図１７に示した光導波検出素子１０３と、光導波検出素子１０１が備える第１光導波路２１の３個の入射口２１－１ｉ、２１－２ｉ、２１－３ｉのそれぞれに向けて可視光レーザーを出力する赤色レーザー光源６０－１、緑色レーザー光源６０－２、青色レーザー光源６０－３と、光導波検出素子１００が備える第２光導波路２２－１の入射口２２ｉに向けて近赤外光レーザーを出力する近赤外光レーザー光源７０とを備える。

上記実施形態に係る映像レーザーモジュールは、近赤外光レーザー光源７０とフォトディテクター３０のタイミング同期をする同期機構を備え、近赤外光レーザー光源７０はパルス光を照射し、照射してから反射して戻ってくる光をフォトディテクター３０で検知することで反射対象物までの距離を測定できてもよい。

上記実施形態に係る映像レーザーモジュールにおいて、近赤外光レーザー光源７０のパルス幅は１００ナノ秒以下であってもよい。

〔映像レーザーモジュールの製造方法〕
図２２及び図２３を用いて、本実施形態に係る光導波検出素子を備えた映像レーザーモジュールを製造する方法の主な工程の一例を説明する。
（第１工程）
デバイス作製用基板の準備（図２２（ａ）参照）
デバイス作製用基板を準備する。デバイス作製用基板としては例えば、サファイア基板、Ｓｉ基板、熱酸化シリコン基板などを挙げることができる。
（第２工程）
光導波路層の形成（５５０℃以上の高温プロセス）（図２２（ｂ）～（ｄ）参照）
ＬｉＮｂＯ_３光導波路を有する光導波路層を形成する。
（２－１）まず、ＬｉＮｂＯ_３膜を成膜する。
（２－２）ＬｉＮｂＯ_３膜をパターニングし、周囲を導波路クラッド材料で埋め込む。
（２－３）マッハツェンダー型光導波路を作製する場合は、ＬｉＮｂＯ_３膜に電界を印加するために、バッファ層、および金属電極層を形成し、パターニングする。
（第３工程）
スピンフォトディテクターの作製（４５０℃以下のプロセス）（図２２（ｅ）～（ｇ）参照）
（３－１）下部電極を形成する
（３－２）ＭＴＪを成膜する
（３－３）ＭＴＪをパターニングし、周囲に絶縁層を埋め込む。
（３－４）上部電極（ＩＴＯなどの透明電極）を形成する

（第４工程）
上記で終了したウエハーをバー状に切断（ＬＤ接合前の光導波検出素子完成）（図２２（ｈ）参照）
（第５工程）
上記バーにＬＤが搭載されたサブキャリアをアクティブアライメント接合
（５－１）Ｓｉ基板を準備する。その上にＬＤに電流を供給するための電極を形成し、サブキャリアを形成する。
（５－２）ＬＤを形成する。そのウェハーをダイシングし、ＬＤをチップ毎に分割する。（５－１）と平行して行う。
（５－３）（５－２）で分割したＬＤチップを、（５－１）で準備したサブキャリア上に正確に位置決めして接合する。
（５－４）ＬＤが接合されたサブキャリアのバーを一つずつ切断する。
（５－５）サブキャリアに設けられた電極上に電流を供給し、そこからＬＤに電気的に接続された状態でレーザーを発振させる。その状態で（５－４）のバー状にされたデバイスの入射ポートに位置調整しながら近づける。そして、出射ポートで光センサーで光強度をみて、その強度が最大になる位置をみつけだし、そのポジションで、サブキャリアと（５－４）のデバイスを金属接合する。金属接合はＹＡＧレーザーを照射し、あらかじめ端面に成膜しておいた金属を溶着することで接合する。
（５－６）（５－５）を繰り返し、各色ＬＤについて行う。
（５－７）すべてのＬＤの接合が終了したら、そのバーを個別デバイスごとに切断する。
（５－８）パッケージされる前の映像レーザーモジュール完成（図２３（ｉ）参照）
（第６工程）
ベースとなるパッケージを作製。
（第７工程）
第６工程のベースとなるパッケージに、第５工程で完成した映像レーザーモジュールをいれ、モジュールとパッケージの電極と電気接続を行う（図２３（ｊ）参照）。
（第８工程）
蓋をして封止パッケージして、映像レーザーモジュールが完成。

〔ＸＲグラス〕
本実施形態に係るＸＲグラスは、上記実施形態に係る映像レーザーモジュールのいずれかがグラスに搭載されている。
ＸＲグラス（眼鏡）はメガネ型の端末であり、ＸＲは、仮想現実（ＶＲ：Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ）、拡張現実（ＡＲ：Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ）、複合現実（Ｍｉｘｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ）の総称である。

図２４に、本実施形態に係るＸＲグラスを説明するための概念図に示す。
図２４に示すＸＲグラス１００００は、フレーム１００１０に映像レーザーモジュール１００１が搭載されている。符号Ｌは画像表示光である。

図２４において、映像レーザーモジュール１００１と、光走査ミラー３００１と、映像レーザーモジュール１００１と光走査ミラー３００１とを結ぶ光学系２００１とを合わせて光学エンジン５００１ということがある。映像レーザーモジュール１００１としては、上述の実施形態に係る映像レーザーモジュールを用いる。

映像レーザーモジュール１００１における光源として例えば、赤色レーザー光源６０－１、緑色レーザー光源６０－２及び青色レーザー光源６０－３のＲＧＢのレーザー光源と、近赤外光レーザー光源７０とを有するものを用いることができる。
図２５に示すように、メガネフレームに取り付けられた映像レーザーモジュール１００１から照射されたレーザー光は光走査ミラー３００１で反射されて人の眼球Ｅ内に入り、網膜Ｍに直接画像（映像）を投影できる。
アイトラッキング機構を備えることにより、アイトラッキングを行いながら、網膜に直接画像が投影される。アイトラッキング機構としては公知のものを用いることができる。

光走査ミラー３００１は例えば、ＭＥＭＳミラーである。２Ｄ画像を投影するためには、水平方向（Ｘ方向）および垂直方向（Ｙ方向）に角度を変えてレーザー光を反射するように振動する２軸ＭＥＭＳミラーであることが好ましい。

映像レーザーモジュール１００１から出射したレーザー光を光学的に処理する光学系２００１として、コリメータレンズ２００１ａと、スリット２００１ｂと、ＮＤフィルタ２００１ｃとを有する。この光学系は一例であって、他の構成であってもよい。

光学エンジン５００１は、レーザードライバ１１００、光走査ミラードライバ１２００、及び、これらのドライバを制御するビデオコントローラ１３００を有する。

図２６に、映像レーザーモジュール１００１の制御系の概念図、及び、眼球Ｅの模式図を示す。
可視光レーザー光源６０－１、６０－２、６０－３、及び、近赤外光レーザー光源７０はそれぞれ独立して駆動電流を制御するための電気信号を生成する電気信号生成素子６５に接続されている。
また、電気信号生成素子６５とフォトディテクター３０とは、同期信号発生装置を含むプロセッサ８５に接続されている。これによって、近赤外光レーザー光源７０からパルス光を発光し、発光してから反射して戻ってくる近赤外光をフォトディテクター３０で検知することで反射対象物までの距離を決定することができる。
眼球Ｅにおいて、符号Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５はそれぞれ、瞳孔、虹彩、レンズ（水晶体）、角膜、網膜である。

図２７～図２９を用いて、反射対象物である眼球の表面（角膜）や眼球の網膜までの距離の測定について説明する。
映像レーザーモジュール１００１は、第２光導波路２２の近赤外光出射口２２Ａから光路ＯＰ１に沿って近赤外光レーザーパルス光ＬＰ１を眼球Ｅに向けて出射する。パルス光ＬＰ１は、眼球Ｅの網膜Ｅ５や眼球Ｅの表面Ｅ６（例えば、角膜Ｅ４、強膜）で反射され、光路ＲＯＰ１に沿って戻った反射光は反射光入射口２３Ａから第３光導波路２３を伝搬して、映像レーザーモジュール１００１のフォトディレクター３０で検出される。

図２７においては、眼球Ｅは第１の角度を向いている場合である。第２光導波路２２の近赤外光出射口２２Ａから眼球Ｅに向けて照射された近赤外光レーザーパルス光ＬＰ１は光路ＯＰ１に沿って伝搬し、瞳孔Ｅ１を通って眼球Ｅに入り、眼球Ｅの網膜Ｅ５で反射される。反射パルス光ＲＬＰ１は、光路ＲＯＰ１に沿って戻り、映像レーザーモジュール１００１のフォトディレクター３０で検出される。
図２８においては、眼球Ｅは第２の角度を向いている。第２光導波路２２の近赤外光出射口２２Ａから眼球Ｅに向けて照射された近赤外光レーザーパルス光ＬＰ２は光路ＯＰ２に沿って伝搬し、眼球Ｅの表面Ｅ６で反射される。反射パルス光ＲＬＰ２は、光路ＲＯＰ２に沿って戻り、映像レーザーモジュール１００１のフォトディレクター３０で検出される。

図２９において、横軸は、眼球Ｅが第１の角度を向いている場合と、眼球Ｅは第２の角度を向いている場合のそれぞれで、近赤外光レーザー光源７０でのパルス光の発光したとき（時刻ｔ_０）から、フォトディレクター３０で検出されるときまでの時間経過を示したものである。
眼球Ｅが第１の角度を向いている場合、パルス光ＬＰ１は時刻ｔ_０に眼球Ｅに向けて出射され、出射時刻ｔ_０はプロセッサ８５に記録される。パルス光ＬＰ１は眼球Ｅの瞳孔Ｅ１に入射し、網膜Ｅ５で反射される。反射パルス光ＲＬＰ１は時刻ｔ_１において映像レーザーモジュール１００１によって検出される。ここでｔ_１－ｔ_０がパルス光が出射されてから検出されるまでの飛行時間に対応する。飛行時間ｔ_１－ｔ_０に基づいて、映像レーザーモジュール１００１とパルス光ＬＰ１が反射された網膜Ｅ５との間の距離が決定される。
同様に、眼球Ｅは第２の角度を向いている場合、ｔ_２－ｔ_０がパルス光が出射されてから検出されるまでの飛行時間に対応する。飛行時間ｔ_２－ｔ_０に基づいて、映像レーザーモジュール１００１とパルス光ＬＰ２が反射された表面Ｅ６との間の距離が決定される。
映像レーザーモジュール１００１は、飛行時間ｔ_１－ｔ_０およびｔ_２－ｔ_０に基づいて決定された距離に基づいて、飛行時間が眼球Ｅの網膜Ｅ５から反射されたパルス光の飛行時間に対応するか、または眼球Ｅの表面Ｅ６から反射されたパルス光の飛行時間に対応するかを判定する。

飛行時間ｔ_１－ｔ_０およびｔ_２－ｔ_０に基づいて、網膜までの距離と眼球表面までの距離とを識別することができる。
眼球の大きさは２０ｍｍ程度であるため、飛行時間の差はわずかであるが、スピンフォトディテクターは高速であるため、測距を可能である。

本実施形態に係るＸＲグラスでは、近赤外光レーザー光源７０から近赤外光を照射し、反射対象物に照射してから反射して戻ってくる光の強度をフォトディレクター３０で検知し、その光の強度に基づいてプロセッサ８５でその反射対象物を特定する構成であってもよい。

本実施形態に係るＸＲグラスでは、フォトディレクター３０を用いて反射率の違いによる光の強度を検知して、その強度に基づいてプロセッサ８５で眼球の位置を決定する構成であってもよい。
例えば、網膜と、眼球の表面の強膜（比較的硬いいわゆる白眼）とでは反射率が異なり、受光する光の強度が変わるので、目の瞳孔の位置を検出することができる。

本実施形態に係るＸＲグラスは、アイトラッキング機構の情報に基づき、映像レーザーモジュールを可動させるアクチュエーター機構を備えることが好ましい。
アクチュエーター機構としては例えば、映像レーザーモジュールを２次元ステージに設置してリニアアクチュエーターで移動する機構を用いることができる。リニアアクチュエーターとしては圧電超音波リニアモータを用いることができる。また、球面モータを用いたアクチュエーターやボイスコイルモータを用いることができる。

１０ 基板
２０ 光導波路層
２０Ａ 一端面
２１ 第１光導波路
２１Ａ 可視光出射口
２２ 第２光導波路
２２Ａ 近赤外光出射口
２３ 第３光導波路
２３Ａ 反射光入射口
３０ フォトディテクター
１００、１０１、１０２、１０３ 光導波検出素子
１０００、１００１、１００３ 映像レーザーモジュール
１００００ ＸＲグラス

Claims (20)

1. 基板と、
   前記基板上に形成された光導波路層と、
   フォトディテクターと、を備え、
   前記光導波路層は、
   波長が３８０ｎｍ～８００ｎｍの可視光が伝搬する第１光導波路と
   波長が８０１ｎｍ～２０００ｎｍの近赤外光が伝搬する第２光導波路と
   前記フォトディテクターの受光面に光を伝搬する第３光導波路と、を有し、
   前記可視光が出射する前記第１光導波路の可視光出射口と、前記近赤外光が出射する前記第２光導波路の近赤外光出射口と、前記近赤外光が反射して戻ってくる第３光導波路の反射光入射口とが前記光導波路層の一端面に配置する、光導波検出素子。
2. 前記可視光出射口と前記近赤外光出射口の中心距離が０ｍｍ～５ｍｍである、請求項１記載の光導波検出素子。
3. 前記近赤外光出射口と前記反射光入射口の中心距離が０ｍｍ～５ｍｍである、請求項２記載の光導波検出素子。
4. 前記近赤外光出射口と前記反射光入射口とが共通する、請求項３記載の光導波検出素子。
5. 前記フォトディテクターが前記光導波路層内に形成されている、請求項１記載の光導波検出素子。
6. 前記光導波路層はニオブ酸リチウムを含む材料で形成されている、請求項１に記載の光導波検出素子。
7. 前記基板はサファイア基板である、請求項１に記載の光導波検出素子。
8. 前記フォトディテクターは、第１強磁性層と、スペーサ層と、第２強磁性層が積層された磁気抵抗効果機能を有するスピンフォトディテクターである、請求項１に記載の光導波検出素子。
9. 前記フォトディテクターの受光感度が、前記可視光に対する感度よりも前記近赤外光に対する感度の方が高い、請求項１に記載の光導波検出素子。
10. 請求項１～９のいずれかに記載の光導波検出素子と、可視光を出力する可視光レーザー光源と、近赤外光を出力する近赤外光レーザー光源と、を備える、映像レーザーモジュール。
11. 前記可視光レーザー光源は赤、緑、青の３色のレーザーを備え、前記光導波路層内で前３色のレーザー光が合波されて、１つの前記可視光出射口から出射される、請求項１０に記載の映像レーザーモジュール。
12. 前記可視光出射口と前記近赤外光出射口の中心距離が５μｍ以上、１００ｍ以下である、請求項１０に記載の映像レーザーモジュール。
13. 前記近赤外光出射口と前記反射光入射口の中心距離が０μｍ以上、１００ｍ以下である、請求項１０に記載の映像レーザーモジュール。
14. 前記近赤外光レーザー光源の発光と前記フォトディテクターの検出のタイミングを同期させる同期機構を備え、
    前記近赤外光レーザー光源はパルス光を照射し、照射してから反射して戻ってくる光を前記フォトディテクターで検知することで反射対象物までの距離を測定する、請求項１０に記載の映像レーザーモジュール。
15. 前記近赤外光レーザー光源のパルス幅は１００ナノ秒以下である、請求項１４に記載の映像レーザーモジュール。
16. 請求項１０～１５のいずれかに記載の映像レーザーモジュールがグラスに搭載されている、ＸＲグラス。
17. 網膜までの距離と、眼球表面までの距離とを識別可能な、アイトラッキング機構を備える、請求項１６に記載のＸＲグラス。
18. 前記アイトラッキング機構の情報に基づき、前記映像レーザーモジュールを可動させるアクチュエーター機構を備える、請求項１７に記載のＸＲグラス。
19. 前記近赤外光レーザー光源から光を照射し、反射対象物に照射してから反射して戻ってくる光の強度を検知し、前記光の強度によって前記反射対象物を検知する、請求項１６に記載のＸＲグラス。
20. 反射率の違いにより眼球の位置を認識可能とする、請求項１６に記載のＸＲグラス。

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