JP7336746B2 - 光デバイスおよび光検出システム - Google Patents

Description

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ことが開示されている。

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

本開示の一態様は、比較的簡単な構成の新規な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の方向および前記第１の方向に垂直な第２の方向に拡がる第１の反射面を有する第１のミラーと、前記第１の反射面に対向する第２の反射面を有する第２のミラーと、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間の領域の一部に位置し、光を前記第１の方向に沿って伝搬させる光導波層と、前記第１のミラーの前記第１の反射面とは反対の側に位置する光学素子であって、入射した光を、屈折および／または回折により、入射方向とは異なる方向に出射させる光学素子と、を備える。前記光学素子は、屈折および／または回折により、（１）前記光導波層から前記第１のミラーを介して入射した光を、当該入射方向よりも前記第１の方向の成分が小さくなる方向に出射する、または（２）当該光デバイスの外部から入射した光を、当該入射方向よりも前記第１の方向の成分が大きくなる方向に出射する。前記第１のミラーにおける前記光の透過率は、前記第２のミラーにおける前記光の透過率よりも高い。前記光導波層は、屈折率および／または厚さを調整することが可能な構造を有する。前記光導波層の屈折率および／または厚さを調整することにより、前記光導波層から前記第１のミラーおよび前記光学素子を介して出射される光の方向、または前記光学素子および前記第１のミラーを介して前記光導波層内に取り込まれる光の入射方向が変化する。

本開示の包括的または具体的な態様は、デバイス、システム、方法、またはこれらの任意の組み合わせによって実現されてもよい。

本開示の一態様によれば、比較的簡単な構成を実現することができる。

[図1] 図１は、本開示の例示的な実施形態における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] 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3] 図３は、シミュレーションにおいて用いた計算モデルを模式的に示す図である。
[図4A] 図４Ａは、光導波層の一例における屈折率と、光の出射角度との関係を計算した結果を示している。
[図4B] 図４Ｂは、光導波層の他の例における屈折率と、光の出射角度との関係を計算した結果を示している。
[図5] 図５は、光スキャンデバイスの例を模式的に示す図である。
[図6A] 図６Ａは、比較例の構成を模式的に示す断面図である。
[図6B] 図６Ｂは、他の比較例の構成を模式的に示す断面図である。
[図7] 図７は、導波路の屈折率を変化させたときの結合効率の変化の例を示すグラフである。
[図8A] 図８Ａは、全反射導波路の概略構成を示す図である。
[図8B] 図８Ｂは、全反射導波路の電場強度分布を示す図である。
[図8C] 図８Ｃは、スローライト導波路の概略構成を示す図である。
[図8D] 図８Ｄは、スローライト導波路の電場強度分布を示す図である。
[図9] 図９は、複数の第１の導波路と複数の第２の導波路との接続の例を模式的に示す図である。
[図10] 図１０は、本開示のある実施形態における光デバイスを模式的に示す図である。
[図11] 図１１は、全反射導波路からスローライト導波路へのグレーティングを介した光伝搬を示す図である。
[図12] 図１２は、グレーティングが存在しない構成の例を示す図である。
[図13A] 図１３Ａは、全反射導波路における導波モードの電界強度分布を示す図である。
[図13B] 図１３Ｂは、スローライト導波路における高次の導波モードの電界強度分布を示す図である。
[図14] 図１４は、グレーティングにおける凹部の深さと、結合効率との関係の例を示す図である。
[図15] 図１５は、結合効率の低い条件で計算した光伝搬の様子を示す図である。
[図16] 図１６は、グレーティングにおける凹部の個数と、結合効率との関係の例を示す図である。
[図17A] 図１７Ａは、光デバイスの第１の変形例を模式的に示す断面図である。
[図17B] 図１７Ｂは、光デバイスの第２の変形例を模式的に示す断面図である。
[図17C] 図１７Ｃは、光デバイスの第３の変形例を模式的に示す断面図である。
[図18A] 図１８Ａは、光デバイスの第４の変形例を模式的に示す断面図である。
[図18B] 図１８Ｂは、光デバイスの第５の変形例を模式的に示す断面図である。
[図19A] 図１９Ａは、全反射導波路およびスローライト導波路の接続の第１の例を模式的に示す断面図である。
[図19B] 図１９Ｂは、全反射導波路およびスローライト導波路の接続の第２の例を模式的に示す断面図である。
[図19C] 図１９Ｃは、全反射導波路およびスローライト導波路の接続の第３の例を模式的に示す断面図である。
[図19D] 図１９Ｄは、全反射導波路およびスローライト導波路の接続の第４の例を模式的に示す断面図である。
[図20] 図２０は、スローライト導波路の他の例を模式的に示す断面図である。
[図21] 図２１は、全反射導波路およびスローライト導波路の接続の他の例を模式的に示す断面図である。
[図22] 図２２は、図１７Ａに示す例における、光導波層の厚さと、導波光の結合効率との関係を示す図である。
[図23A] 図２３Ａは、図１７Ａに示す例において、２つのグレーティングを有する光デバイスを模式的に示す図である。
[図23B] 図２３Ｂは、図２３Ａに示す例における、光導波層の厚さと、導波光の結合効率との関係を示す図である。
[図23C] 図２３Ｃは、図２３Ａに示す例における、光導波層の厚さおよび領域１０１の屈折率と、導波光の結合効率との関係を示す他の図である。
[図23D] 図２３Ｄは、図２３Ａに示す例における、光導波層の厚さと、導波光の結合効率との関係を示す他の図である。
[図24A] 図２４Ａは、図２３Ａに示す例の変形例を模式的に示す断面図である。
[図24B] 図２４Ｂは、図２３Ａに示す例の変形例を模式的に示す断面図である。
[図24C] 図２４Ｃは、図２３Ａに示す例の変形例を模式的に示す断面図である。
[図24D] 図２４Ｄは、図２３Ａに示す例の変形例を模式的に示す断面図である。
[図25A] 図２５Ａは、２つのグレーティングがＹ方向に並んでいる例を模式的に示す図である。
[図25B] 図２５Ｂは、グレーティングの周期がＹ方向における位置の変化に伴ってｐ _２からｐ _１に連続的に変化する例を模式的に示す図である。
[図26] 図２６は、２つの周期成分を含むグレーティングが混在している例を模式的に示す他の図である。
[図27A] 図２７Ａは、光導波層の両隣にスペーサが配置されている構成例を模式的に示す図である。
[図27B] 図２７Ｂは、導波路アレイの構成例を模式的に示す図である。
[図28] 図２８は、光導波層内の導波光の伝搬を模式的に示す図である。
[図29A] 図２９Ａは、グレーティングを介して第１の導波路に光が導入される例を示す図である。
[図29B] 図２９Ｂは、第１の導波路１の端面から光が入力される例を示す図である。
[図29C] 図２９Ｃは、レーザー光源から第１の導波路に光が入力される例を示す図である。
[図30A] 図３０Ａ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30B] 図３０Ｂ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31] 図３１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32A] 図３２Ａは、ｐがλよりも大きい場合において、導波路アレイから回折光が出射される様子を示す模式図である。
[図32B] 図３２Ｂは、ｐがλよりも小さい場合において、導波路アレイから回折光が出射される様子を示す模式図である。
[図32C] 図３２Ｃは、ｐがλ／２に実質的に等しい場合において、導波路アレイから回折光が出射される様子を示す模式図である。
[図33] 図３３は、位相シフタが導波路素子に直接的に接続されている構成の例を示す模式図である。
[図34] 図３４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35] 図３５は、位相シフタにおける導波路が、導波路素子における光導波層と、他の導波路を介して繋がる構成の例を模式的に示す図である。
[図36] 図３６は、光分岐器にカスケード状に並ぶ複数の位相シフタ８０を挿入した構成例を示す図である。
[図37A] 図３７Ａは、第１調整素子の構成の一例を模式的に示す斜視図である。
[図37B] 図３７Ｂは、第１調整素子の他の構成例を模式的に示す斜視図である。
[図37C] 図３７Ｃは、第１調整素子のさらに他の構成例を模式的に示す斜視図である。
[図38] 図３８は、ヒーターを含む調整素子と導波路素子とを組み合わせた構成の例を示す図である。
[図39] 図３９は、支持部材でミラーが保持された構成例を示す図である。
[図40] 図４０は、ミラーを移動させる構成の一例を示す図である。
[図41] 図４１は、光の伝搬を妨げない位置に電極配置した構成例を示す図である。
[図42] 図４２は、圧電素子の例を示す図である。
[図43A] 図４３Ａは、ユニモルフの構造を有する支持部材の構成例を示す図である。
[図43B] 図４３Ｂは、支持部材が変形した状態の例を示す図である。
[図44A] 図４４Ａは、バイモルフの構造を有する支持部材の構成例を示す図である。
[図44B] 図４４Ｂは、支持部材が変形した状態の例を示す図である。
[図45] 図４５は、アクチュエータの例を示す図である。
[図46A] 図４６Ａは、支持部材の先端の傾きを説明するための図である。
[図46B] 図４６Ｂは、伸縮する方向の異なる２つのユニモルフ型の支持部材を直列に繋ぎ合わせた例を示す図である。
[図47] 図４７は、複数の第１のミラーを保持する支持部材をアクチュエータで一括して駆動する構成の例を示す図である。
[図48] 図４８は、複数の導波路素子における第１のミラーが１つのプレート状のミラーである構成例を示す図である。
[図49A] 図４９Ａは、光導波層に液晶材料を用いた構成の第１の例を示す図である。
[図49B] 図４９Ｂは、光導波層に液晶材料を用いた構成の第１の例を示す図である。
[図50] 図５０は、光入力装置を備える光スキャンデバイスの例を示す断面図である。
[図51A] 図５１Ａは、光導波層に液晶材料を用いた構成の第２の例を示す図である。
[図51B] 図５１Ｂは、光導波層に液晶材料を用いた構成の第２の例を示す図である。
[図52A] 図５２Ａは、光導波層に液晶材料を用いた構成の第３の例を示す図である。
[図52B] 図５２Ｂは、光導波層に液晶材料を用いた構成の第３の例を示す図である。
[図53A] 図５３Ａは、光導波層に液晶材料を用いた構成の第４の例を示す図である。
[図53B] 図５３Ｂは、光導波層に液晶材料を用いた構成の第４の例を示す図である。
[図54] 図５４は、光導波層に液晶材料を使用した構成における、光の射出角度の印加電圧依存性を示すグラフである。
[図55] 図５５は、本実験で用いた導波路素子の構成を示す断面図である。
[図56] 図５６は、光導波層に電気光学材料を用いた構成の第１の例を示す図である。
[図57] 図５７は、光導波層に電気光学材料を用いた構成の第１の例を示す図である。
[図58A] 図５８Ａは、一対の電極が第２のミラーの近傍にのみ配置されている例を示す図である。
[図58B] 図５８Ｂは、一対の電極が第１のミラーの近傍にのみ配置されている例を示す図である。
[図59] 図５９は、それぞれの導波路素子の電極から配線を共通に取り出す構成の例を示す図である。
[図60] 図６０は、一部の電極および配線を共通にした構成の例を示す図である。
[図61] 図６１は、複数の導波路素子に対して共通の電極を配置した構成の例を示す図である。
[図62] 図６２は、位相シフタアレイを配置する領域を大きく確保して、導波路アレイを小さく集積した構成の例を模式的に示す図である。
[図63] 図６３は、２つの位相シフタアレイが、導波路アレイ１０Ａの両側にそれぞれ配置された構成例を示す図である。
[図64A] 図６４Ａは、導波路素子の配列方向および導波路素子が延びる方向が直交していない導波路アレイの構成例を示している。
[図64B] 図６４Ｂは、導波路素子の配列間隔が一定でない導波路アレイの構成例を示している。
[図65A] 図６５Ａは、本実施形態における光スキャンデバイスを模式的に示す図である。
[図65B] 図６５Ｂは、図６５Ａに示した光スキャンデバイスの断面図である。
[図65C] 図６５Ｃは、図６５Ａに示したる光スキャンデバイスの他の断面図である。
[図66A] 図６６Ａは、第２のミラーと導波路との間に誘電体層が配置された構成例を示す図である。
[図66B] 図６６Ｂは、第１の導波路の上に第２の誘電体層がさらに配置された構成例を示す図である。
[図67] 図６７は、第２のミラーが第１の導波路と基板との間の領域に配置されていない構成例を示す図である。
[図68] 図６８は、第２のミラーが第１の導波路１と基板との間において薄くなっている構成例を示す図である。
[図69A] 図６９Ａは、第２のミラーの厚さが段階的に変化する構成例を示す図である。
[図69B] 図６９Ｂは、上部電極、第１のミラー、および第２の基板が、第１の導波路１における保護層と、第２の導波路における光導波層との上に跨って配置されている構成例を示す図である。
[図69C] 図６９Ｃは、図６９Ｂの構成例の製造過程の一部を示す図である。
[図70] 図７０は、複数の第２の導波路の断面を示す図である。
[図71] 図７１は、第１の導波路１および第２の導波路が反射型導波路である構成例を示す図である。
[図72] 図７２は、上部電極が第１のミラーの上に配置されており、下部電極が第２のミラーの下に配置されている構成例を示す図である。
[図73] 図７３は、第１の導波路が２つの部分に分離された例を示す図である。
[図74] 図７４は、電極が、各光導波層と、各光導波層に隣接する光導波層との間に配置されている構成例を示す図である。
[図75] 図７５は、第１のミラーが厚く、第２のミラーが薄い構成例を示す図である。
[図76] 図７６は、ある実施形態における光スキャンデバイスの断面図である。
[図77] 図７７は、光ロスの割合とｙ _１の関係を示す図である。
[図78] 図７８は、本実施形態における導波路アレイの別の構成例を模式的に示す、光スキャンデバイスの断面図である。
[図79A] 図７９Ａは、図２７Ｂの構成例における、電場強度分布の計算結果を示す図である。
[図79B] 図７９Ｂは、図７８の構成例における、電場強度分布の計算結果を示す図である。
[図80] 図８０は、ある実施形態において、異なる屈折率を有するスペーサが存在する構成例を模式的に示す、光スキャンデバイスの断面図である。
[図81] 図８１は、変形例における導波路素子の構成例を模式的に示す、光スキャンデバイスの断面図である。
[図82] 図８２は、光導波領域の幅と電界の広がりとの関係を示す図である。
[図83] 図８３は、本実施形態おける、光導波領域および非導波領域の構成例を模式的に示す光スキャンデバイスの断面図である。
[図84A] 図８４Ａは、導波モードの電界分布の計算結果を示す図である。
[図84B] 図８４Ｂは、導波モードの電界分布の計算結果を示す図である。
[図85] 図８５は、ミラー間距離に対する部材の寸法の比と電界の広がりとの関係を示す図である。
[図86] 図８６は、図８５の例における、ミラー間距離に対する部材の寸法の比と導波モードの消衰係数との関係を示す図である。
[図87] 図８７は、ミラー間距離に対する部材の寸法の比と電界の広がりとの関係を示す図である。
[図88] 図８８は、光導波領域および非導波領域の構成を模式的に示す光スキャンデバイスの断面図である。
[図89] 図８９は、ミラー間距離に対する部材の寸法の比と電界の広がりとの関係を示す図である。
[図90A] 図９０Ａは、第２のミラーの反射面の一部に、他の部分から盛り上がった凸部が設けられた例を示す断面図である。
[図90B] 図９０Ｂは、第２のミラーの反射面の一部に凸部が設けられた他の例を模式的に示す断面図である。
[図91] 図９１は、第１のミラー側に２つの部材が離れて配置されている構成例を模式的に示す光スキャンデバイスの断面図である。
[図92] 図９２は、第１および第２のミラーの両側の各々に２つの部材が離れて配置されている構成例を模式的に示す光スキャンデバイスの断面図である。
[図93] 図９３は、第１のミラー側に２つの部材が離れて配置され、第２のミラー側に他の部材が配置されている構成例を模式的に示す光スキャンデバイスの断面図である。
[図94] 図９４は、第２のミラー側に２つの部材が離れて配置されている構成例を模式的に示す光スキャンデバイスの断面図である。
[図95] 図９５は、第１および第２のミラーの両側の各々に部材が配置されている構成例を示す光スキャンデバイスの断面図である。
[図96] 図９６は、本開示の実施形態における光デバイスの一例を模式的に示す図である。
[図97] 図９７は、計算に用いられる光デバイスの一例を模式的に示す図である。
[図98] 図９８は、図９７に示す例における、光学素子がない場合の光の出射角度と、光学素子がある場合の光の出射角度との関係を示す図である。
[図99] 図９９は、本実施形態における光デバイスの一例を模式的に示す図である。
[図100] 図１００は、本実施形態における光デバイスの一例を模式的に示す図である。
[図101] 図１０１は、図１００に示す例における、光学素子がない場合の光の出射角度と、光学素子がある場合の光の出射角度との関係を示す図である。
[図102] 図１０２は、本実施形態における光デバイスの一例を模式的に示す図である。
[図103] 図１０３は、本実施形態における光デバイスの一例を模式的に示す図である。
[図104] 図１０４は、本実施形態における光デバイスの一例を模式的に示す図である。
[図105] 図１０５は、本実施形態における光デバイスの一例を模式的に示す図である。
[図106] 図１０６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107] 図１０７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108] 図１０８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。
[図109] 図１０９は、ＬｉＤＡＲシステムの構成例を模式的に示す図である。
[図110A] 図１１０Ａは、光スキャンデバイスと、リニアセンサアレイの焦点との位置関係を模式的に示す図である。
[図110B] 図１１０Ｂは、物体と、リニアセンサアレイと、リニアセンサアレイの焦点との位置関係を模式的に示す図である。
[図111] 図１１１は、光スキャンの範囲と、リニアセンサアレイにおける各受光素子の視野との位置関係を模式的に示す図である。
[図112] 図１１２は、光の出射角度の範囲を説明するための説明図である。

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。

本発明者らは、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。

本発明者らは、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。本発明者らは、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光の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つまたは全てを制御して光の出射方向を変化させてもよい。以下の説明では、主に光導波層の屈折率または厚さを制御する形態を説明する。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。

＜光スキャンデバイスの構成例＞
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および実質的に同一の構成に対する重複する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。なお、発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。以下の説明において、同一または類似する構成要素については、同じ参照符号を付している。

本開示において、「光」とは、可視光（波長が約４００ｎｍから約７００ｎｍ）だけでなく、紫外線（波長が約１０ｎｍから約４００ｎｍ）および赤外線（波長が約７００ｎｍから約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。

本明細書において、２つの方向が「平行」とは、厳密に平行であることのみならず、両者のなす角度が１５度以下である形態を含む。本明細書において、２つの方向が「垂直」とは、厳密に垂直であることを意味せず、両者のなす角度が７５度以上１０５度以下である形態を含む。

図１は、本開示の例示的な実施形態における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、本開示の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のミラー３０および第２のミラー４０（以下、それぞれを単に「ミラー」と呼ぶ場合がある）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のミラー３０は、一体に構成された第３の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のミラー４０は、一体に構成された第４の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のミラー３０が他の第１のミラー３０と別体に構成されているか、（２）各第２のミラー４０が他の第２のミラー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、物理的に空間を設けることのみならず、間に屈折率が異なる材料を挟み、分離することも含む。

第１のミラー３０の反射面と第２のミラー４０の反射面とは略平行に対向している。ミラー３０およびミラー４０のうち、少なくとも第１のミラー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のミラー３０は、当該光について、第２のミラー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のミラー３０から外部に出射される。このようなミラー３０およびミラー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で、光による２次元スキャンを実現することができる。

本発明者らは、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詳しく分析を行った。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に示されるように、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のミラー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の動作原理をより詳細に説明する。

＜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、一対のミラー３０とミラー４０が光導波層２０を挟むように配置されている。光導波層２０のＸ方向における一端から導入された光２２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のミラー３０および下面（図２における下側の表面）に設けられた第２のミラー４０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のミラー３０の光透過率は第２のミラー４０の光透過率よりも高い。このため、主に第１のミラー３０から光の一部を出力することができる。

通常の光ファイバーなどの導波路では、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およびミラー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」と呼ぶ。

導波路素子１０の光の伝搬について、より詳しく説明する。光導波層２０の屈折率をｎ_ｗ、光導波層２０の厚さをｄとする。ここで、光導波層２０の厚さｄは、ミラー３０またはミラー４０の反射面の法線方向における光導波層２０のサイズである。光の干渉条件を考慮すると、波長λの光の伝搬角度θ_ｗは、以下の式（１）を満たす。

ｍはモード次数である。式（１）は、光導波層２０内の光が厚さ方向に定在波を形成する条件に相当する。光導波層２０内の波長λ_ｇがλ／ｎ_ｗのとき、光導波層２０の厚さ方向における波長λ_ｇ’はλ／（ｎ_ｗｃｏｓθ_ｗ）であると考えることができる。光導波層２０の厚さｄが、光導波層２０の厚さ方向における波長λ_ｇ’の半分λ／（２ｎ_ｗｃｏｓθ_ｗ）の整数倍と等しいとき、定在波が形成される。この条件から式（１）が得られる。なお、式（１）におけるｍは定在波の腹（ａｎｔｉ－ｎｏｄｅ）の数を表す。

ミラー３０およびミラー４０が多層膜ミラーである場合、反射時にミラー内部にも光が侵入する。このため、厳密には、光が侵入した分の光路長に対応する項を式（１）の左辺に付け加える必要がある。しかし、ミラー内部への光の侵入の影響よりも光導波層２０の屈折率ｎ_ｗおよび厚さｄの影響の方が遥かに大きいため、式（１）によって基本的な動作を説明できる。

光導波層２０内を伝搬する光が、第１のミラー３０を通じて外部（典型的には空気）に出射されるときの出射角度θは、スネルの法則にしたがって以下の式（２）のように記述できる。

式（２）は、光の出射面において、空気側の光の面方向における波長λ／ｓｉｎθと、導波路素子１０側の光の伝搬方向の波長λ／（ｎ_ｗｓｉｎθ_ｗ）とが等しいという条件から得られる。

式（１）および式（２）より、出射角度θは、以下の式（３）のように記述できる。

式（３）からわかるように、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、本開示の実施形態における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つを制御することで、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（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、光ファイバーまたは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。

本発明者らは、上記のような特定方向への光の出射が実際に可能であるかを光学解析によって検証した。光学解析は、サイバネット社のＤｉｆｆｒａｃｔＭＯＤを用いた計算によって行った。これは、厳密結合波解析（ＲＣＷＡ：Ｒｉｇｏｒｏｕｓ Ｃｏｕｐｌｅｄ－Ｗａｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ）に基づいたシミュレーションであり、波動光学の効果を正確に計算することができる。

図３は、本シミュレーションにおいて用いた計算モデルを模式的に示す図である。この計算モデルでは、基板５０上に、第２のミラー４０と、光導波層２０と、第１のミラー３０とが、この順に積層されている。第１のミラー３０および第２のミラー４０は、いずれも誘電体多層膜を含む多層膜ミラーである。第２のミラー４０は、相対的に屈折率の低い低屈折率層４２および相対的に屈折率の高い高屈折率層４４を交互に６層ずつ（計１２層）積層した構造を有する。第１のミラー３０は、低屈折率層４２および高屈折率層４４を交互に２層ずつ（すなわち、計４層）積層した構造を有する。ミラー３０とミラー４０の間に光導波層２０が配置されている。導波路素子１０および基板５０以外の媒質は空気である。

このモデルを用いて、光の入射角度を変化させながら入射光に対する光学応答を調べた。これは、空気からの入射光と光導波層２０とが、どの程度結合するかを調べることに対応している。入射光が光導波層２０と結合する条件では、光導波層２０を伝搬した光が外部に出射されるという逆の過程も起きる。よって、入射光が光導波層２０と結合する場合の入射角度を求めることは、光導波層２０を伝搬した光が外部に出射する際の出射角度を求めることに相当する。入射光が光導波層２０と結合すると、光導波層２０内において光の吸収および散乱によるロスが生じる。つまり、大きなロスが生じる条件では、入射光が光導波層２０に強く結合しているということになる。吸収などによる光のロスがなければ、光の透過率および反射率の合計が１になる。しかし、ロスがあれば、透過率および反射率の合計は１よりも小さくなる。本計算では、光の吸収の影響を取り入れるために、光導波層２０の屈折率に虚部を導入し、１から透過率および反射率の合計を引いた値をロスの大きさとして計算した。

本シミュレーションでは、基板５０はＳｉ、低屈折率層４２はＳｉＯ_２（厚さ２６７ｎｍ）、高屈折率層４４はＳｉ（厚さ１０８ｎｍ）であるものとした。波長λ＝１．５５μｍの光を、角度を様々に変えて入射したときのロスの大きさを計算した。

図４Ａは、光導波層２０の厚さｄが７０４ｎｍの場合における光導波層２０の屈折率ｎ_ｗと、モード次数ｍ＝１の光の出射角度θとの関係を計算した結果を示している。白い線はロスが大きいことを表している。図４Ａに示されているように、ｎ_ｗ＝２．２付近でモード次数ｍ＝１の光の出射角度がθ＝０°となる。ｎ_ｗ＝２．２に近い屈折率をもつ物質には、例えばニオブ酸リチウムがある。

図４Ｂは、光導波層２０の厚さｄが４４６ｎｍの場合における光導波層２０の屈折率ｎ_ｗと、モード次数ｍ＝１の光の出射角度θとの関係を計算した結果を示している。図４Ｂに示されているように、ｎ_ｗ＝３．４５付近でモード次数ｍ＝１の光の出射角度がθ＝０°となる。ｎ_ｗ＝３．４５に近い屈折率をもつ物質には、例えばシリコン（Ｓｉ）が挙げられる。

このように、光導波層２０の厚さｄを調整することにより、特定の光導波層２０の屈折率ｎ_ｗに対して、特定のモード次数（例えばｍ＝１）の光の出射角度θが０°となるように設計できる。

図４Ａおよび図４Ｂに示すように、屈折率の変化に応じて、出射角度θが大きく変わることが確認できた。後述するように、屈折率は、例えばキャリア注入、電気光学効果、および熱光学効果などの様々な方法によって変化させることができる。そのような方法による屈折率の変化は０．１程度とあまり大きくない。そのため、これまでは、そのような小さな屈折率の変化では出射角度はそれほど大きく変化しないと考えられていた。しかし、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、出射角度がθ＝０°となる屈折率付近では、屈折率が０．１増加すると出射角度θが０°から約３０°にまで変化することがわかった。このように、本実施形態における導波路素子１０では、小さい屈折率変化であっても、出射角度を大きく調整することが可能である。

同様に、図４Ａおよび図４Ｂの比較からわかるように、光導波層２０の厚さｄの変化に応じて、出射角度θが大きく変わることが確認できた。後述するように、厚さｄは、例えば２つのミラーの少なくとも一方に接続されたアクチュエータによって変化させることができる。厚さｄの変化が小さくても、出射角度を大きく調整することができる。

このように、光導波層２０の屈折率ｎ_ｗおよび／または厚さｄを変化させることにより、導波路素子１０から出射される光の方向を変えることができる。同様に、光導波層２０に入力する光の波長を変化させることによっても、導波路素子１０から出射される光の方向を変えることができる。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。第１調整素子の構成例については、後述する。

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で、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。１つ以上の導波路素子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。

図５は、単一の導波路素子１０によって１次元スキャンを実現する光スキャンデバイス１００の例を模式的に示す図である。この例では、Ｙ方向に広がりのあるビームスポットが形成される。光導波層２０の屈折率、厚さ、波長の少なくとも１つを変化させることにより、ビームスポットをＸ方向に沿って移動させることができる。これにより、１次元スキャンが実現される。ビームスポットがＹ方向に広がりをもつため、一軸方向のスキャンであっても、２次元的に拡がる比較的広いエリアをスキャンすることができる。２次元スキャンが不要な用途では、図５に示すような構成も採用し得る。

２次元スキャンを実現する場合には、図１に示すように、複数の導波路素子１０が配列された導波路アレイが用いられる。複数の導波路素子１０内を伝搬する光の位相が特定の条件を満たすとき、光は特定の方向に出射する。その位相の条件が変化すると、光の出射方向が導波路アレイの配列方向にも変化する。すなわち、導波路アレイを用いることにより、２次元スキャンを実現することができる。２次元スキャンを実現するためのより具体的な構成の例については後述する。

以上のように、１つ以上の導波路素子１０を用いて、導波路素子１０における光導波層２０の屈折率、光導波層２０の厚さ、および波長の少なくとも１つを変化させることにより、光の出射方向を変化させることができる。本開示の実施形態における導波路素子１０は、光の全反射を利用する一般的な全反射導波路とは異なり、光導波層が一対のミラーに挟まれた反射型導波路の構造を備える。このような反射型導波路への光の結合については、これまでに十分に検討されてこなかった。本発明者らは、光導波層２０に光を効率的に導入するための構造についても検討した。

図６Ａは、空気およびミラー３０を介して間接的に光が光導波層２０に入力される構成の例を模式的に示す断面図である。この例では、反射型導波路である導波路素子１０の光導波層２０に対して、外部から空気およびミラー３０を介して間接的に伝播光が導入される。光導波層２０に光を導入するためには、光導波層２０の内部における導波光の反射角θ_ｗに対して、スネルの法則（ｎ_ｉｎｓｉｎθ_ｉｎ＝ｎ_ｗｓｉｎθ_ｗ）を満たす必要がある。ここで、ｎ_ｉｎは外部媒質の屈折率、θ_ｉｎは伝播光の入射角、ｎ_ｗは光導波層２０の屈折率である。この条件を考慮して入射角θ_ｉｎを調整することにより、光の結合効率を最大化することができる。さらに、この例では、第１のミラー３０の一部に多層反射膜の膜数を減らした部分が設けられている。その部分から光が入力されることで結合効率を高めることができる。しかし、このような構成では、光導波層２０の伝搬定数の変化に起因するθ_ｗａｖの変化に応じて、光導波層２０への光の入射角θ_ｉｎを変化させる必要が生じる。

光導波層２０の伝搬定数の変化が生じても、光が常に導波路に結合できる状態を保つために、多層反射膜の膜数を減らした部分に角度広がりのあるビームを入射する方法がある。図６Ｂは、そのような方法の一例を示している。この例では、導波路素子１０に、ミラー３０の法線方向に対して角度θ_ｉｎだけ傾けて配置された光ファイバー７から角度広がりのある光が導入される。このような構成によって、外部から空気およびミラー３０を介して間接的に光を入射した場合の結合効率について検討する。

簡単のため光を光線として考える。通常のシングルモードファイバーの開口数（ＮＡ）は０．１４程度である。これは角度に換算すると約±８度である。導波路に結合する光の入射角度の範囲は、導波路から出射される光の広がり角と同程度である。出射光の広がり角θ_ｄｉｖは、以下の式（４）で表される。

ここでＬは伝搬長、λは光の波長、θ_ｏｕｔは光の出射角である。Ｌを１０μｍ以上とすると、θ_ｄｉｖは大きくても１度以下である。したがって、光ファイバー７からの光の結合効率は、１／１６×１００％（すなわち、約６．３％）以下である。さらに、光の入射角θ_ｉｎを固定し、導波路の屈折率ｎ_ｗを変化させることによって光の出射角θ_ｏｕｔを変化させたときの結合効率の変化を計算した結果を図７に示す。結合効率は、入射光のエネルギーに対する導波光のエネルギーの比を表す。図７に示す結果は、入射角θ_ｉｎを３０°、導波路膜厚を１．１２５μｍ、波長を１．５５μｍとして、結合効率を計算することによって得られた。この計算では、屈折率ｎ_ｗを１．４４から１．７８の範囲で変化させることにより、出射角θ_ｏｕｔを１０°から６５°の範囲で変化させた。図７に示すように、このような構成では、結合効率は最大でも７％に満たない。また、出射角θ_ｏｕｔを、結合効率がピークになる出射角から２０°以上変化させると、結合効率はさらに半分以下に低下する。

このように、光スキャンのために導波路の屈折率等を変化させることによって伝搬定数を変化させると、結合効率はさらに低下する。結合効率を維持するためには、伝搬定数の変化に応じて光の入射角θ_ｉｎを変化させる必要がある。しかし、光の入射角θ_ｉｎを変化させる機構を導入すると、装置構成の複雑化を招く。

本発明者らは、屈折率等を変化させる導波路を有する領域の前段に、屈折率が一定に維持される導波路を有する領域を設けることにより、光入射角を固定する事ができることを見出した。さらに、本発明者らは、それらの２種類の導波路を接続して高い光結合効率を実現する方法についても検討した。

異なる２つの導波路における導波光の結合を考える際に要因が２点ある。１つ目は、伝搬光の伝搬定数であり、２つ目はモードの電場強度分布である。これらが２つの導波路において近いほど結合効率は高くなる。導波路における伝搬光の伝搬定数βは、簡単のため幾何光学的に考えると、β＝ｋ・ｓｉｎθ_ｗ＝（２πｎ_ｗｓｉｎθ_ｗ）／λで表される。波数をｋ、導波角度をθ_ｗ、光導波層の屈折率をｎ_ｗとする。全反射型の導波路では、全反射を用いて導波光を導波層に閉じ込めるため、全反射条件であるｎ_ｗｓｉｎθ_ｗ＞１を満たす。一方、スローライト導波路では、導波路の上下に存在する多層反射膜により光を導波路に閉じ込め、導波光の一部を多層反射膜を通して射出するため、ｎ_ｗｓｉｎθ_ｗ＜１となる。全反射型導波路と、導波光の一部を射出するスローライト導波路とでは、伝搬定数は等しくなり得ない。図８Ａに示すような全反射導波路の電場強度分布は、図８Ｂに示すように、ピークを導波路内に持ち、導波路外では単調減少する。他方、図８Ｃに示すようなスローライト導波路は、図８Ｄに示すような電場強度分布を持つ。導波路内にピークを持つ事は変わらないが、図８Ｃに示すスローライト導波路では、導波光が誘電多層膜内において光の干渉により反射する。このため、図８Ｄに示すように電場強度は誘電多層膜に深く染み出し、かつ振動的に変化する。

以上のように、全反射型導波路とスローライト導波路とでは、導波光の伝搬定数、電場強度分布共に大きく異なる。よって、全反射型導波路とスローライト導波路とを直接的に繋げることは従来考えられていなかった。本発明者らは、可変の屈折率および／または厚さを有する光導波層に、直接的に全反射導波路を繋げることができることを発見した。

さらに、本発明者らは、そのような２種類の導波路を、共通の基板上に配置することにより、光スキャンデバイスの作製を容易にできることも見出した。すなわち、一体に形成された一つの基板上に２種類の導波路を配置してもよい。一般的な導波路は、半導体プロセスを用いて、基板上に作製される。例えば、蒸着またはスパッタリングなどによる成膜と、リソグラフィーまたはエッチングなどによる微細加工とを組み合わせた製法が用いられ得る。そのような製法によって、基板の上に導波路の構造を作製することができる。基板の材料として、例えばＳｉ、ＳｉＯ_２、ＧａＡｓ、またはＧａＮが用いられ得る。

反射型導波路も、同様の半導体プロセスを用いて作製され得る。反射型導波路では、光導波層を挟む一対のミラーのうち、一方のミラーから光を透過させることよって、光を出射させる。ミラーは、例えば低コストで入手可能なガラス基板の上に作製され得る。ガラス基板の代わりに、例えばＳｉ、ＳｉＯ_２、ＧａＡｓ、ＧａＮなどの基板を用いてもよい。

反射型導波路に別の導波路を接続することによって、光を反射型導波路に導入することができる。以下、そのような構造の例を説明する。

図９は、基板５０Ａの上に作製された複数の第１の導波路１と、別の基板５０Ｂの上に作製された複数の第２の導波路１０との接続を模式的に示す図である。基板５０Ａおよび基板５０Ｂは、ＸＹ平面に平行に配置されている。複数の第１の導波路１および複数の第２の導波路１０は、Ｘ方向に延び、Ｙ方向に配列されている。第１の導波路１は、例えば、光の全反射を利用する一般的な導波路である。第２の導波路１０は、反射型導波路である。別々の基板５０Ａおよび基板５０Ｂの上にそれぞれ配置された第１の導波路１および第２の導波路１０を位置合わせして接続することによって、第１の導波路１から第２の導波路１０に光を導入することができる。

第１の導波路１から第２の導波路１０に効率よく光を導入するためには、１０ｎｍオーダーの極めて高精度の位置合わせが望まれる。また、高精度の位置合わせができたとしても、基板５０Ａおよび基板５０Ｂの熱膨張係数が異なる場合、温度変化により、位置合わせがずれるおそれがある。例えば、Ｓｉ、ＳｉＯ_２、ＧａＡｓおよびＧａＮの熱膨張係数は、それぞれおよそ４、０．５、６および５（×１０^―６／Ｋ）であり、ガラス基材としてよく使われるＢＫ７の熱膨張係数は、９（×１０^―６／Ｋ）である。別々の基材としてどの材料を組み合わせても、１×１０^―６／Ｋ以上の熱膨張係数の違いが生じる。例えば、複数の第１の導波路１および複数の第２の導波路１０の配列方向（図中ではＹ方向）における基板５０Ａおよび基板５０Ｂのサイズが１ｍｍである場合、１℃の温度変化によって、基板５０Ａおよび基板５０Ｂの位置合わせは、１ｎｍずれる。さらに、数十℃の温度変化によって、基板５０Ａおよび基板５０Ｂの位置合わせは、数十から百ｎｍのオーダーで大きくずれる。

同じ基板の上に第１の導波路および第２の導波路を配置すれば、上記の課題を解決できる。共通の基板上にこれらの導波路を配置することにより、第１の導波路および第２の導波路の位置合わせが容易になる。さらに、熱膨張による第１の導波路および第２の導波路の位置合わせのずれが抑制される。その結果、第１の導波路から第２の導波路にさらに効率よく光を導入することができる。

上記態様における「第２の導波路」は、前述の実施形態における「導波路素子」に相当する。本開示のある実施形態では、第２の導波路の前段に、屈折率も厚さも一定に維持される第１の導波路が設けられ、第１の導波路に光が入力される。第１の導波路は、入力された光を伝搬させ、第２の導波路の端面から入力する。第１の導波路と第２の導波路とは、端面同士が直接接続されていてもよいし、例えば、端面間にギャップがあってもよい。

上記構成によれば、第１の導波路を第２の導波路（すなわち導波路素子）の前段に設けることにより、第１の導波路に入射する光の入射角を一定に維持しても、スキャンによる結合効率の低下（すなわちエネルギーのロス）を抑制することができる。

同じ基板の上に第１の導波路および第２の導波路を配置した場合には、第１の導波路および第２の導波路の位置合わせが容易になる。さらに、熱膨張による第１および第２の導波路の位置合わせのずれが抑制される。その結果、第１の導波路から第２の導波路へ効率よく光を導入することができる。

＜グレーティングを介した導波光結合＞
本発明者らは、図９に示す構成を改良することにより、光の結合効率をさらに向上させることができることを見出した。

図１０は、本開示の例示的な実施形態における光デバイスを模式的に示す断面図である。本実施形態および後述する本実施形態の変形例の全反射導波路１およびスローライト導波路１０は、本開示の何れ光デバイスに適用してもよい。

本実施形態では、全反射導波路である第１の導波路１の先端部は、スローライト導波路である第２の導波路１０における光導波層２０の内部にある。以下、第１の導波路１を「全反射導波路１」と称し、第２の導波路１０を「スローライト導波路１０」と称することがある。Ｚ方向からみたとき、全反射導波路１およびスローライト導波路１０が重なる領域１０１において、全反射導波路１は、Ｘ方向に沿って屈折率が周期ｐで変化するグレーティング１５を備える。図１０に示すグレーティング１５は、Ｘ方向に並ぶ複数の凹部を有する。図１０には４つの凹部が例示されているが、実際にはさらに多数の凹部が設けられ得る。複数の凹部に代えて、複数の凸部が設けられていてもよい。グレーティング１５におけるＸ方向に並ぶ凹部または凸部の個数は、例えば４以上が望ましい。また、凹部または凸部の個数は、４以上６４以下であり得る。ある例では、凹部または凸部の個数は、８以上３２以下であり得る。ある例では、凹部または凸部の個数は、８以上１６以下であり得る。凹部または凸部の個数は、各凹部または凸部の回折効率に応じて調整され得る。各凹部または凸部の回折効率は、その深さまたは高さ、および幅などの寸法条件に依存する。したがって、グレーティング１５全体として良好な特性が得られるように、各凹部または凸部の寸法に応じて、それらの個数は調整される。

全反射導波路１は、領域１０１において、ミラー３０の反射面に対向する第１の表面１ｓ_１、およびミラー４０の反射面に対向する第２の表面１ｓ_２を有する。図１０に示す例では、グレーティング１５は、全反射導波路１の第１の表面１ｓ_１に設けられている。グレーティング１５は、第２の表面１ｓ_２に設けられていてもよい。グレーティング１５は、全反射導波路１の第１の表面１ｓ_１および第２の表面１ｓ_２の少なくとも一方に設けられ得る。

グレーティング１５は、全反射導波路１とスローライト導波路１０との界面に限らず、他の位置に設けられていてもよい。また、複数のグレーティングが設けられていてもよい。ミラー３０の反射面に垂直な方向から見て導波路１および導波路１０が重なる領域１０１において、導波路１および導波路１０の少なくとも一部は、１つ以上のグレーティングを含み得る。各グレーティングは、導波路１および導波路１０が延びるＸ方向に沿って屈折率が周期的に変化する。

全反射導波路１のうち、光導波層２０の外部に位置する部分は、他の誘電体層によって支持されてもよいし、２つの誘電体層によって挟まれていてもよい。

領域１０１のＸ方向における寸法は、例えば、４μｍから５０μｍ程度であり得る。そのような大きさの領域１０１の内部に、８周期から３２周期程度のグレーティング１５が形成され得る。スローライト導波路１０のうち領域１０１以外の領域１０２のＸ方向における寸法は、例えば、１００μｍから５ｍｍ程度であり得る。領域１０１のＸ方向における寸法は、例えば領域１０２の寸法の数百分の１から数十分の１程度であり得る。ただし、この寸法に限定されず、必要な特性に応じて各部材の寸法は決定される。

領域１０１において、第１のミラー３０は、第２のミラー４０よりも高い透過率を有していなくてもよい。領域１０２においても、領域１０１に近い領域では、第１のミラー３０は、第２のミラー４０よりも高い透過率を有していなくてもよい。領域１０１は、光の結合効率を高めるために設けられる。このため、領域１０１の近傍では、スローライト導波路１０は、必ずしも光を出射する必要はない。

全反射導波路１における導波モードの伝搬定数をβ_１＝２πｎ_ｅ１／λとし、スローライト導波路１０における導波モードの伝搬定数をβ_２＝２πｎ_ｅ２／λとする。λは、空気中における光の波長である。ｎ_ｅ１およびｎ_ｅ２は、それぞれ全反射導波路１およびスローライト導波路１０における実効屈折率（等価屈折率とも称する）である。全反射導波路１内を伝搬する光は、外部の空気とは結合しない。そのような導波モードの実効屈折率は、ｎ_ｅ１＞１である。一方、スローライト導波路１０における光導波層２０を伝搬する光の一部は、外部の空気に出射される。そのような導波モードの実効屈折率は、０＜ｎ_ｅ２＜１である。したがって、β_１とβ_２とは大きく異なる。そのため、一般に、全反射導波路１からスローライト導波路１０への導波光の結合効率は低い。

領域１０１において、全反射導波路１がグレーティング１５を備える場合、グレーティング１５に起因する回折が生じる。その場合、全反射導波路１における導波モードの伝搬定数β_１は、逆格子２π／ｐの整数倍だけシフトする。例えば－１次回折によってβ_１がβ_１－（２π／ｐ）にシフトする場合、ｐを適切に設定すれば、β_１－（２π／ｐ）＝β_２が成り立つようにすることができる。その場合、領域１０１における２つの伝搬定数が一致するため、導波光は全反射導波路１からスローライト導波路１０に高い効率で結合する。β_１－（２π／ｐ）＝β_２から、周期ｐは以下の式（５）によって表される。

０＜ｎ_ｅ２＜１であるため、周期ｐは、以下の式（６）を満たす。

スローライト導波路１０において、領域１０１と、それ以外の領域１０２とでは、同じ導波モードであることから、導波光は高い効率で結合する。

図１１は、グレーティングを介した全反射導波路からスローライト導波路に光を伝搬させたときの電場分布の計算例を示す図である。計算には、Ｓｙｎｏｐｓｙｓ社のＭｏｄｅＰＲＯＰを用いた。図１１に示すように、全反射導波路１を伝搬する光は、グレーティング１５を介してスローライト導波路１０に効率よく伝搬する。

図１１に示す例における計算条件は、以下の通りである。

全反射導波路１において、屈折率はｎ_ｗ１＝１．８８であり、Ｚ方向の厚さはｄ_１＝３００ｎｍである。スローライト導波路１０において、屈折率はｎ_ｗ２＝１．６であり、Ｚ方向の厚さはｄ_２＝２．１μｍである。グレーティングにおける凹部の数は１６である。グレーティングの周期はｐ＝８００ｎｍである。各凹部の深さは２００ｎｍである。全反射導波路１およびスローライト導波路１０を伝搬する光は、空気中において波長λ＝９４０ｎｍを有する。全反射導波路１における伝搬モードの光の実効屈折率ｎ_ｅ１は１．６９であり、領域１０１におけるスローライト導波路１０における伝搬モードの光の実効屈折率ｎ_ｅ２は０．５２８であった。

この例では、全反射導波路１からスローライト導波路１０への導波光の結合効率は、６１．４％であった。グレーティング１５が存在しない構成、および全反射導波路１の端面とスローライト導波路１０の端面とが直接接続された構成と比較して、結合効率が大幅に向上することが確認された。

比較のため、図１２に示すように、グレーティングが存在しない構成においても同様の計算を行った。計算条件は、グレーティングが存在しないことを除けば、上記の条件と同じである。この場合、結合効率は１．８％であった。また、全反射導波路１の端面とスローライト導波路１０の端面とが直接接続された構成においても、結合効率が例えば数％程度に留まることが確認されている。

次に、全反射導波路１および導波路１０における導波モードを説明する。

図１３Ａは、全反射導波路１における導波モードの電場強度分布の例を示す図である。図１３Ｂは、スローライト導波路１０における高次の導波モードの電場強度分布の例を示す図である。図１３Ａおよび図１３Ｂに示す例では、ＹＺ平面における電界強度分布が示されている。図１３Ｂに示す例では、第１のミラー３０と第２のミラー４０との間において、光導波層２０は、２つの非導波領域７３の間にある。

図１３Ａに示す全反射導波路１における導波モードはシングルモードである。図１３Ｂに示すスローライト導波路１０における導波モードは、式（３）におけるｍ＝７の高次モードである。全反射導波路１における実効屈折率はｎ_ｅ１＝１．６９であり、スローライト導波路１０における実効屈折率はｎ_ｅ２＝０．５２８である。

図１３Ａおよび図１３Ｂに示すように導波モードの分布が大きく異なっていても、グレーティング１５を介すことにより、導波光の結合効率は高くなる。

スローライト導波路１０における高次モードには、以下の利点がある。スローライト導波路１０では、全体の電界強度分布に対する光導波層２０での電界強度分布の占める比率は、高次モードの方が、低次モードよりも高い。すなわち、高次モードでは、光導波層２０に閉じ込められる光の量がより多い。そのため、光導波層２０の屈折率の変化に対して、スローライト導波路１０から出射される光の出射角度は大きく変化する。

当然、スローライト導波路１０における導波モードは、式（３）におけるｍ＝７の高次モードに限定されない。式（５）におけるｐを調整することにより、スローライト導波路１０において他の導波モードを励起させることも可能である。

図１０および図１１に示す例において、領域１０１における全反射導波路１と各ミラーとの距離が近ければ、以下の現象が生じ得る。第１のミラー３０および／または第２のミラー４０が全反射導波路１よりも高い屈折率を有する場合、全反射導波路１におけるエバネッセント光は、第１のミラー３０および／または第２のミラー４０に移る傾向にある。その結果、全反射導波路１を伝搬する光は、第１のミラー３０および／または第２のミラー４０を介して外部に漏れ得る。そのため、領域１０１における全反射導波路１と各ミラーとの距離は、λ／４以上離れている。これにより、全反射導波路１からスローライト導波路１０への導波光の結合効率の低下を抑制できる。

図１４は、グレーティング１５における各凹部の深さと、導波光の結合効率との関係の例を示す図である。この例では、光の波長は９４０ｎｍである。全反射導波路１の屈折率ｎ_ｗ１は１．８８である。全反射導波路１の厚さｄ_１は３００ｎｍである。スローライト導波路１０の屈折率ｎ_ｗ２は１．６８である。スローライト導波路の厚さｄ_２は２．１μｍである。グレーティング１５の周期ｐは８００ｎｍである。グレーティング１５における凹部の数は３２である。

図１４に示す例では、結合効率は、凹部の深さが０から０．１３μｍの範囲では、当該深さの増加とともに単調に増加する。凹部の深さが０．１３μｍよりも大きい範囲では、凹部の深さを増加させると、結合効率が低下し、その後振動する。

図１４に示す例では、凹部の深さが０．１３μｍのとき、結合効率は約５０％になり、最大になる。この例では、グレーティング１５における各凹部の深さが、全反射導波路１の厚さｄ_１の３分の１以上１５分の８以下の場合に、特に高い結合効率が実現される。

図１４に示す結果は、以下のように説明できる。全反射導波路１のモードとスローライト導波路１０のモードとの結合効率は、グレーティング１５の構造に依存する。結合効率は、グレーティング１５が存在する領域における全反射導波路１の規格化電界分布と、スローライト導波路１０の規格化電界分布との重なり積分に比例する。このため、グレーティング１５における凹部の深さが増加すると、一般に光結合効率は高くなる。しかし、結合効率が高くなりすぎると、一度スローライトモードに変換された導波光が再度、全反射導波路のモードに変換される。このため、光結合効率は低下する。さらに凹部が深くなると、再び結合効率が増加し、以後、振動する。

図１５は、図１４に示す例における凹部の深さが０．２μｍである場合の電界強度分布を示す図である。図示されるように、この条件では、スローライトモードに変換される導波光の割合は高くない。

図１６は、グレーティング１５における凹部の個数に対する結合効率の依存性の例を示す図である。たとえ凹部の深さを膜厚ｄ_１と同程度にしても、グレーティング構造の個数が少なすぎると導波光の変換効率は低くなる。結合効率をある程度高くするため、凹部または凸部の個数は、例えば４個以上に設定され得る。

上記の例では、グレーティングにおける、１周期当たりの凹部のＸ方向の長さ、すなわちデューティ比を５０％として計算したが、５０％に限定されない。グレーティングのデューティ比は、グレーティングの凹部の深さおよび数によって適宜変更してもよい。導波光の結合効率の最大値は、グレーティングの凹部の深さ、数、およびデューティ比によって決定され得る。

次に、グレーティング１５を介した全反射導波路およびスローライト導波路の接続の変形例を説明する。

図１７Ａから図１７Ｃは、図１０に示す例の変形例を模式的に示す断面図である。図１７Ａから図１７Ｃに示す例では、全反射導波路１は、誘電体層５１によって支持されており、誘電体層５１は、第２のミラー４０によって支持されている。全反射導波路１およびスローライト導波路１０では、第２のミラー４０が共通に用いられている。誘電体層５１は、例えばＳｉＯ_２から形成される。誘電体層５１の屈折率ｎ_ｓｕｂは、全反射導波路１の屈折率ｎ_ｗ１よりも小さい。したがって、全反射導波路１を伝搬する光は、誘電体層５１には漏れない。誘電体層５１は、第２のミラー４０によって支持されていなくてもよい。領域１０１および領域１０２以外の領域では、第２のミラー４０を、誘電体層５１と同じ材料の構造に置き換えてもよい。

図１７Ａに示す例では、全反射導波路１は、第１の表面１ｓ_１において、グレーティング１５を備える。図１７Ｂに示す例では、全反射導波路１は、第２の表面１ｓ_２において、グレーティング１５を備える。図１７Ｃに示す例では、全反射導波路１は、第１の表面１ｓ_１および第２の表面１ｓ_２の両方において、グレーティング１５を備える。

このように、全反射導波路１は、第１の表面１ｓ_１および第２の表面１ｓ_２の少なくとも一方において、グレーティング１５を備えてもよい。

図１８Ａおよび図１８Ｂは、図１０に示す例の他の変形例を模式的に示す断面図である。図１８Ａおよび図１８Ｂに示す例では、図１７Ａから図１７Ｃに示す例と同様に、全反射導波路１は、誘電体層５１によって支持されており、誘電体層５１は、第２のミラー４０によって支持されている。

図１８Ａおよび図１８Ｂの例では、全反射導波路１ではなく、第１のミラー３０および／または第２のミラー４０の反射面にグレーティング１５が設けられている。図１８Ａに示す例では、スローライト導波路１０は、第１のミラー３０における反射面において、グレーティング１５を備える。図１８Ｂに示す例では、スローライト導波路１０は、第２のミラー４０における反射面において、グレーティング１５を備える。

図１８Ａおよび図１８Ｂに示す例では、全反射導波路１と、第１のミラー３０および／または第２のミラー４０とのＺ方向の距離は比較的近い。これにより、全反射導波路１におけるエバネッセント光は、グレーティング１５によって回折される。その結果、前述の例と同様、全反射導波路１からスローライト導波路１０に導波光の結合効率を高めることができる。

このように、スローライト導波路１０は、第１のミラー３０における反射面および第２のミラー４０における反射面の少なくとも一方において、グレーティング１５を備えてもよい。さらに、図１０および１７Ａ～１７Ｃに示す例の何れか一つと図１８Ａまたは１８Ｂに示す例とを組み合わせてもよい。すなわち、全反射導波路１は、第１の表面１ｓ_１および第２の表面１ｓ_２の少なくとも一方において、グレーティング１５を備え、且つ、スローライト導波路１０は、第１のミラー３０における反射面および第２のミラー４０における反射面の少なくとも一方において、グレーティング１５を備えてもよい。

次に、スローライト導波路１０の内部における、全反射導波路１のＹ方向の幅と、光導波層２０のＹ方向の幅との関係を説明する。

図１９Ａから図１９Ｄは、ＹＺ平面における全反射導波路１およびスローライト導波路１０の配置関係の例を模式的に示す断面図である。図１９Ａから図１９Ｄは、全反射導波路１およびスローライト導波路１０を全反射導波路１側からＸ方向にみたときの構造を示している。図１９Ａから図１９Ｄに示す例では、２つの非導波領域７３は、第１のミラー３０と、第２のミラー４０とに挟まれており、光導波層２０は、２つの非導波領域７３の間にある。光導波層２０の平均屈折率は、各非導波領域７３の平均屈折率よりも高い。これにより、光は非導波領域７３に漏れることなく、光導波層２０内を伝搬することができる。

図１９Ａに示す例では、全反射導波路１は、誘電体層５１によって支持されていない。全反射導波路１のＹ方向の幅は、光導波層２０のＹ方向の幅よりも狭い。

図１９Ｂに示す例では、全反射導波路１は、誘電体層５１によって支持されている。全反射導波路１のＹ方向の幅は、光導波層２０のＹ方向の幅よりも狭い。誘電体層５１のＹ方向の幅は、全反射導波路１のＹ方向の幅と同じである。

図１９Ｃに示す例では、全反射導波路１は、誘電体層５１によって支持されている。全反射導波路１のＹ方向の幅は、光導波層２０のＹ方向の幅よりも狭い。誘電体層５１のＹ方向の幅は、光導波層２０のＹ方向の幅と同じである。

図１９Ｄに示す例では、全反射導波路１は、誘電体層５１によって支持されている。全反射導波路１のＹ方向の幅は、光導波層２０のＹ方向の幅と同じである。誘電体層５１のＹ方向の幅は、全反射導波路１のＹ方向の幅と同じである。

全反射導波路１からスローライト導波路１０に導波光が結合するときの光散乱ロスは、図１９Ａおよび１９Ｂに示す例よりも、図１９Ｃおよび図１９Ｄに示す例の方が小さい。図１９Ａに示す例において、光散乱ロスは最も大きく、図１９Ｄに示す例において、光散乱ロスは最も小さい。図１９Ｄに示す例では、全反射導波路１のＹ方向の幅は、光導波層２０のＹ方向の幅と同じである。これにより、スローライト導波路１０の導波モードにおいて、領域１０１内のＹＺ平面における電界強度分布は、領域１０２内のＹＺ平面における電界強度分布と広範囲に重なる。そのため、光散乱ロスは最も小さい。

図１９Ｃおよび図１９Ｄに示すように、誘電体層５１のＹ方向の幅が光導波層２０のＹ方向の幅と同じであれば、光散乱ロスを有効に低減させることができる。

図２０は、スローライト導波路１０の他の変形例を模式的に示す断面図である。図２０に示す例では、領域１０２における断面図が示されている。図２０に示すように、各非導波領域７３は、２つ以上の屈折率が異なる部材を含んでもよい。図２０に示す例では、光導波層２０および２つの非導波領域７３は、共通の材料４５によって構成される領域を含む。各非導波領域７３は、部材４６と、共通の材料４５とを含む。光導波層２０の平均屈折率が、各非導波領域７３の平均屈折率よりも高ければ、光は各非導波領域７３に漏れることなく、光導波層２０内を伝搬することができる。

次に、全反射導波路１のうち、光導波層２０の外側に位置する部分の構造の例を説明する。

図２１は、全反射導波路およびスローライト導波路の接続の例を模式的に示す図である。

図２１に示す例では、全反射導波路１のうち、光導波層２０の外側において、全反射導波路１は、スローライト導波路１０に近づくにつれて、幅すなわちＹ方向の寸法が単調に増加する部分を含む。すなわち、全反射導波路１の一部は、テーパー構造１ｔを有する。光導波層２０から遠い部分における全反射導波路１の幅ｗ_ｗは、結合部である領域１０１における全反射導波路１の幅ｗ_ｃよりも狭い。ｗ_ｗはｗ_ｃの、例えば１００分の１から２分の１程度であり得る。全反射導波路１のうち、幅の狭い導波路部分１ｗと、幅の広い導波路部分１ｃとの間にテーパー構造１ｔが存在する。このような構造を採用すれば、幅の狭い導波路部分１ｗを伝搬する光が、幅の広い導波路部分１ｃに入射するときの反射を抑制することができる。

光導波層２０の少なくとも一部は、屈折率および／または厚さを調整することが可能な構造を有していてもよい。屈折率および／または厚さを調整することにより、第１のミラー３０から出射される光の方向のうち、Ｘ方向の成分が変化する。

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のうち、領域１０１における屈折率と、領域１０２における屈折率とを同時に調整してもよい。しかし、領域１０１における屈折率を調整すると、式（５）の条件が変化し得る。その結果、全反射導波路１からスローライト導波路１０への導波光の結合効率が低下し得る。そこで、領域１０１における屈折率を一定に維持し、領域１０２における屈折率のみを調整できるようにしてもよい。領域１０１および領域１０２における屈折率が異なっても、領域１０１と領域１０２との界面において生じる導波光の反射の影響は小さい。

その場合、上記の一対の電極（「第１の一対の電極」と称する）は、光導波層２０のうち、第１のミラーにおける反射面に垂直な方向から見て第１の導波路に重なる部分とは異なる部分を間に挟む。不図示の制御回路が一対の電極に電圧を印加することにより、領域１０２における光導波層２０の上記少なくとも一部の屈折率を調整することができる。

設計通りに式（５）の条件が満たされていればよいが、実際には、製造誤差に起因して、式（５）の条件が完全に満たされない場合がある。そのような場合の補償のために、領域１０２における屈折率の調整とは別に、領域１０１に屈折率を調整する機能を光デバイスに付与してもよい。

その場合、上記第１の一対の電極に加えて、第２の一対の電極が設けられ得る。第２の一対の電極は、光導波層２０のうち、第１のミラーの反射面に垂直な方向から見て第１の導波路に重なる部分の少なくとも一部を間に挟む。制御回路は、第１および第２の一対の電極に独立して電圧を印加することにより、第１の一対の電極の間に位置する光導波層の部分の屈折率と、第２の一対の電極の間に位置する光導波層の部分の屈折率とを独立して調整することができる。

光導波層２０の厚さを調整するために、例えば、第１のミラー３０および第２のミラー４０の少なくとも一方に１つ以上のアクチュエータが接続されてもよい。制御回路は、１つ以上のアクチュエータを制御して第１のミラー３０と第２のミラー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。

上記１つ以上のアクチュエータは、領域１０２における第１のミラー３０および第２のミラー４０の少なくとも一方に接続され得る。アクチュエータによって、領域１０２における光導波層２０の厚さを変化させることができる。このとき、式（５）の条件は変化しない。

上記１つ以上のアクチュエータは、２つのアクチュエ―タであってもよい。一方のアクチュエータは、領域１０１における第１のミラー３０および第２のミラー４０の少なくとも一方に接続され得る。他方のアクチュエータは、領域１０２における第１のミラー３０および第２のミラー４０の少なくとも一方に接続され得る。２つのアクチュエータによって、領域１０１における光導波層２０の厚さと、領域１０２における光導波層２０の厚さとを別々に変化させることができる。これにより、設計通りに式（５）の条件が満たされていない場合の補償が可能である。

光導波層２０の屈折率および／または厚さを調整する具体的な構成の例については、後述する。

製造誤差に起因して、光導波層２０の厚さなどの寸法が設計値からずれることがある。光導波層２０の寸法が設計値からずれると、式（５）における実効屈折率ｎ_ｅ２にも誤差が生じる。その場合、導波光の結合効率が低下するという課題がある。以下、導波光の結合効率が光導波層２０の厚さにどのように依存するかを説明する。

図２２は、図１７Ａに示す例における、光導波層の厚さと、導波光の結合効率との関係を示す図である。横軸は光導波層２０の厚さｄ_２を表し、縦軸は、導波光の結合効率を最大値によって規格化した値を表している。図２２に示す例における計算条件は、以下の通りである。

全反射導波路１において、屈折率はｎ_ｗ１＝２．０であり、Ｚ方向の厚さはｄ_１＝３００ｎｍである。誘電体層５１において、屈折率はｎ_ｓｕｂ＝１．４４である。スローライト導波路１０において、屈折率はｎ_ｗ２＝１．６１である。グレーティングにおける凹部の数は１６である。グレーティングの周期はｐ＝７９５ｎｍである。各凹部の深さは８５ｎｍである。全反射導波路１およびスローライト導波路１０を伝搬する光は、空気中において波長λ＝９４０ｎｍを有する。

図２２に示すように、結合効率は１つのピークを有する。上記の条件では、結合効率はｄ_２＝２．１５μｍのとき最大になる。光導波層２０の厚さがｄ_２＝２．１５μｍからずれると、結合効率が低下する。

製造誤差に起因する結合効率の低下を抑制するために、領域１０１において、周期の異なる複数のグレーティングを設けてもよい。そのような複数のグレーティングを設けることにより、光導波層２０の厚さｄ_２の製造誤差を補償することができる。

以下の実施形態において、複数のグレーティングの屈折率は、Ｘ方向に沿って周期的に変化する。複数のグレーティングのうちの少なくとも２つのグレーティングの周期は互いに異なる。複数のグレーティングの各々の周期は、式（６）の範囲内にある。複数のグレーティングの各々は、上記のいずれかの例におけるグレーティングと同じ構造を備え得る。本実施形態および後述する本実施形態の変形例の全反射導波路１およびスローライト導波路１０は、本開示の何れの光デバイスに適用してもよい。

図２３Ａは、図１７Ａに示す例において、２つのグレーティングを有する光デバイスを模式的に示す図である。図２３Ｂは、図２３Ａに示す例における、光導波層の厚さと、導波光の結合効率との関係を示す図である。

図２３Ａに示す例において、グレーティング１５ａおよびグレーティング１５ｂは、Ｘ軸方向に沿って並んでいる。図２３Ｂに示す例における計算条件は、以下の通りである。

グレーティング１５ａおよびグレーティング１５ｂにおける凹部の数は、共に１６である。グレーティング１５ａの周期はｐ_１＝７９５ｎｍであり、グレーティング１５ｂの周期はｐ_２＝６１０ｎｍである。各凹部の深さは８５ｎｍである。その他の計算条件は、図２２に示す例における計算条件と同じである。

図２３Ｂに示すように、結合効率は、１．９５μｍ＜ｄ_２＜２．０μｍにおいて幅の狭い第１のピークを有し、２．１μｍ＜ｄ_２＜２．２μｍにおいて平均して幅の広い第２のピークを有する。第１のピークの幅が狭いのは、ｄ_２の変化によってｎ_ｅ２が大きく変化するからである。第１および第２のピークは、それぞれ周期ｐ_２＝６１０ｎｍのグレーティング１５ｂおよび周期ｐ_１＝７９５ｎｍのグレーティング１５ａに起因する。

図２３Ｃは、図２３Ａに示す例における、光導波層の厚さおよび領域１０１の屈折率と、導波光の結合効率との関係を示す他の図である。複数の周期と、前述の領域１０１において屈折率を調整する機能とを適切に組み合わせることができる。これにより、図２３Ｃに示すように、導波光が結合可能なｄ_２の範囲を、途切れることなく広くすることができる。

図２３Ｃに示す例では、周期ｐ_２＝６１０ｎｍおよび周期ｐ_１＝７１０ｎｍである。図２３Ｃに示すように、周期ｐ_２＝６１０ｎｍに対応する導波光が結合可能なｄ_２の範囲は１．９２μｍ＜ｄ_２＜２．０３μｍであり、周期ｐ_１＝７１０ｎｍに対応する導波光が結合可能なｄ_２の範囲は２．０１μｍ＜ｄ_２＜２．１２μｍである。すなわち、２つの導波光が結合可能なｄ_２の範囲は、１．９２μｍ＜ｄ_２＜２．１２μｍであり、各導波光が結合可能なｄ_２の範囲よりも広くなる。図２３Ｃに示す計算条件において、領域１０１の屈折率を１．５２から１．６８まで変化させた。その他の計算条件は、図２３Ｂに示す例における計算条件と同じである。

図２３Ｄは、図２３Ａに示す例における、光導波層の厚さと、導波光の結合効率との関係を示す他の図である。図２３Ｄに示す例における計算条件は、以下の通りである。

黒丸は、周期が６１０ｎｍの一種類のみの場合である。その他の計算条件は、図２２に示す例における計算条件と同じである。白い三角印は、グレーティング１５ａの周期ｐ_１＝６３０ｎｍであり、グレーティング１５ｂの周期ｐ_２＝６１０ｎｍの場合である。その他の計算条件は、図２３Ｂに示す例における計算条件と同じである。

図２３Ｂに示す例において、ｐ_１を徐々にｐ_２に近づけると、第２のピークは、第１のピークに近づく。これにより、領域１０１における屈折率を一定に維持した場合においても、図２３Ｄに示す白い三角印のように、２つのピークが混在し、広いピークが得られる。その結果、導波光が結合可能なｄ_２の範囲は広くなる。

以上のように、領域１０１において複数のグレーティングがあれば、光導波層２０の厚さｄ_２に製造誤差があっても、導波光の結合効率の低下を抑制することができる。

図２３Ａでは、２つの互いに周期が異なるグレーティング１５ａおよびグレーティング１５ｂが示されているが、３つ以上の互いに周期が異なるグレーティングであってもよい。

次に、周期の異なる複数のグレーティングを有する光デバイスの変形例を説明する。

図２４Ａから２４Ｄは、図２３Ａに示す例の変形例を模式的に示す断面図である。

図２４Ａに示す例では、全反射導波路１は、第２の表面１ｓ_２において、グレーティング１５ａおよびグレーティング１５ｂを備える。図２４Ｂに示す例では、全反射導波路１は、第１の表面１ｓ_１および第２の表面１ｓ_２の両方において、グレーティング１５ａおよびグレーティング１５ｂを備える。図２４Ｃに示す例では、スローライト導波路１０は、第１のミラー３０における反射面において、グレーティング１５ａおよびグレーティング１５ｂを備える。図２４Ｄに示す例では、スローライト導波路１０は、第２のミラー４０における反射面において、グレーティング１５ａおよびグレーティング１５ｂを備える。

本開示の実施形態では、全反射導波路の第１の表面１ｓ_１および第２の表面１ｓ_２の少なくとも一方、または、第１のミラー３０および第２のミラー４０の反射面の少なくとも一方が、複数のグレーティングを含み得る。さらに、図２３Ａ、２４Ａおよび２４Ｂに示す例の何れか一つと図２４Ｃまたは２４Ｄとを組み合わせてもよい。すなわち、本開示の実施形態では、全反射導波路の第１の表面１ｓ_１および第２の表面１ｓ_２の少なくとも一方、ならびに、第１のミラー３０および第２のミラー４０の反射面の少なくとも一方が、複数のグレーティングを含み得る。

上記の各例では、複数のグレーティングが、Ｘ方向に並ぶ２つ以上のグレーティングを含む。そのような形態に限らず、複数のグレーティングは、Ｙ方向において隣接する２つ以上のグレーティングを含んでもよい。ここで、「隣接する２つ以上のグレーティング」は、Ｙ方向において接していてもよいし、間隔を空けて隣り合っていてもよい。

図２５Ａは、２つのグレーティングがＹ方向に並んでいる例を模式的に示す図である。

図２５Ａに示す例では、グレーティング１５ａおよびグレーティング１５ｂの各々のＹ方向の幅はｗ_ｃ／２である。Ｙ方向の幅が短い代わりに、Ｘ方向において、グレーティング１５ａおよびグレーティング１５ｂの各々の凹部の数を増やしてもよい。これにより、図２３Ａに示す例と同様の効果を期待することができる。図２３Ａに示す例では、各々のＹ方向の幅がｗ_ｃである２つのグレーティング１５ａおよびグレーティング１５ｂがＸ方向に沿って並んでいる。

「複数のグレーティングがＹ方向において隣接する」場合には、Ｘ方向に沿ったグレーティングの周期が、Ｙ方向における位置の変化に伴って連続的に変化する場合も含まれる。

図２５Ｂは、グレーティングの周期が、Ｙ方向における位置の変化に伴ってｐ_２からｐ_１に連続的に変化する例を模式的に示す図である。ここで、ｐ_１はｐ_２よりも大きい。

図２５Ｂに示す例では、全反射導波路１における導波モードの伝搬定数β_１は、グレーティング１５ｃによる－１次回折により、β_１－（２π／ｐ_２）からβ_１－（２π／ｐ_１）まで連続的にシフトする。したがって、光導波層２０の厚さｄ_２に製造誤差があっても、β_１－（２π／ｐ_２）≦β_２≦β_１－（２π／ｐ_１）であれば、導波光は、全反射導波路１からスローライト導波路１０に高い効率で結合する。

複数のグレーティングは、空間的に分離している必要はない。グレーティングは、複数の周期成分を含んでいてもよい。本明細書では、そのような場合でも、「周期の異なる複数のグレーティング」が設けられているものと解釈する。当該グレーティングの屈折率は、Ｘ方向に沿って変化する。複数の周期成分の各周期は、式（６）を満たす。

図２６は、２つの周期成分を含むグレーティングが混在している例を模式的に示す図である。図２６に示す例では、グレーティング１５ｍにおいて２つの異なる周期がランダムに混在している。

グレーティング１５ｍが複数の周期成分を含むことは、グレーティング１５ｍの屈折率の空間変化をフーリエ変換することによって知ることができる。屈折率の空間変化ｎ（ｘ）をフーリエ変換すると、Ｎ（ｋ）＝∫ｎ（ｘ）ｅｘｐ（‐ｉｋｘ）ｄｘのフーリエ成分が得られる。例えば、周期ｐ_１および周期ｐ_２の２つの周期成分が混在している場合、フーリエ成分Ｎ（ｋ）は、ｋ＝（２π／ｐ_１）ｍ_１およびｋ＝（２π／ｐ_２）ｍ_２においてピークを有する。ｍ_１、ｍ_２は整数である。

領域１０１において複数のグレーティングがある場合でも、前述したように、光導波層２０の少なくとも一部は、屈折率および／または厚さを調整することが可能な構造を有していてもよい。また、複数のグレーティングを有する光デバイスは、図１９Ａから図２１に示す各構造を備えていてもよい。

全反射導波路１およびスローライト導波路１０の組を複数組備える光デバイスを構成することにより、２次元の光スキャンも可能である。そのような光スキャンデバイスは、Ｙ方向に配列された複数の導波路ユニットを備える。各導波路ユニットは、上記の全反射導波路１およびスローライト導波路１０を備える。当該光スキャンデバイスでは、複数の位相シフタが、複数の導波路ユニットにそれぞれ接続される。複数の位相シフタは、それぞれ、複数の導波路ユニットの対応する１つにおける全反射導波路１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。複数の位相シフタを通過する光の位相の差をそれぞれ変化させることにより、光スキャンデバイスから出射される光の方向のうち、Ｙ方向の成分を変化させることができる。同様の構造によって光受信デバイスを構成することもできる。

図２７Ａは、第１のミラー３０と第２のミラー４０の間に位置する光導波層２０の両隣に、非導波領域７３（以下、「スペーサ７３」とも称する）が配置されている構成例を模式的に示す、ＹＺ平面における導波路素子１０の断面図である。スペーサ７３の屈折率ｎ_ｌｏｗは、光導波層の屈折率ｎ_ｗよりも低い（ｎ_ｌｏｗ＜ｎ_ｗ）。スペーサ７３は、例えば、空気でもよい。スペーサ７３は、光導波層よりも低い屈折率を有する限り、例えば、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＮ、ＡｌＮ、ＳｉＯ_２などであってもよい。

図２７Ｂは、図２７Ａにおける導波路素子１０をＹ方向に配列した導波路アレイ１０Ａの構成例を模式的に示す、ＹＺ平面における光スキャンデバイスの断面図である。図２７Ｂの構成例では、Ｙ方向において、第１のミラー３０の幅は、光導波層２０の幅と同じである。第１のミラー３０の幅は、光導波層２０の幅よりも広い場合、第１のミラー３０が存在しない領域から導波光が漏れることを低減することができる。従来では、複数の反射型導波路も含め、複数の導波路素子１０をアレイ化する際に、第１のミラー３０および第２のミラー４０の少なくとも一方の幅を光導波層２０の幅よりも長くすることにより、導波光の漏れを防ぐという発想はなかった。

光スキャンの性能を向上させるためには、導波路アレイ１０Ａにおける各導波路素子１０を、細線化することが望ましい。この場合、導波光が漏れるという課題はより顕著になる。

図２８は、光導波層２０内において、導波光がＸ方向に伝搬することを模式的に示す図である。ｎ_ｗ＞ｎ_ｌｏｗであることから、導波光は、±Ｙ方向において全反射により閉じ込められながら、Ｘ方向に伝搬する。しかし、実際には、光導波層２０のＹ方向における端面から外側へ染み出すエバネッセント光が存在する。また、図２に示すように、導波光は、±Ｚ方向において第１のミラー３０および第２のミラー４０によって反射されながら、全反射角θ_ｉｎよりも小さい角度で、Ｘ方向に伝搬する。このとき、図２７Ｂに示す第１のミラー３０が存在しない領域では、エバネッセント光は、反射されず、外に漏れ出る。この意図しない光ロスにより、光スキャンに用いられる光量は低下し得る。

複数の導波路素子１０の配列方向において、第１のミラー３０および第２のミラー４０の少なくとも一方の幅を、光導波層２０の幅よりも長くすることにより、上記の課題を解決できる。これにより、上記の意図しない光ロスを低減することができる。その結果、光スキャンに用いられる光量の低下は抑制される。

図２９Ａから図２９Ｃは、第１の導波路１に光が入力される構成において、第１の導波路１への光の入力方法の例を示す図である。図２９Ａは、第１の導波路１の表面に設けられたグレーティング５を介して第１の導波路１に光が導入される例を示している。図２９Ｂは、第１の導波路１の端面から光が入力される例を示している。図２９Ｃは、第１の導波路１の表面に設けられたレーザー光源６から、当該表面を介して光が入力される例を示している。図２９Ｃのような構成は、例えば、Ｍ． Ｌａｍｐｏｎｉ ｅｔ ａｌ．， “Ｌｏｗ－Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓｌｙ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ＩｎＰ／ＳＯＩ Ｌａｓｅｒｓ Ｗｉｔｈ ａ Ｄｏｕｂｌｅ Ａｄｉａｂａｔｉｃ Ｔａｐｅｒ Ｃｏｕｐｌｅｒ”， ＩＥＥＥ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＬＥＴＴＥＲＳ， ＶＯＬ． ２４， ＮＯ． １， ＪＡＮＵＡＲＹ １， ２０１２， ｐｐ ７６－７８．に開示されている。この文献の開示内容全体を本願明細書に援用する。以上の構成によれば、効率よく光を導波路１に入射させることができる。

次に、本実施形態における第１の導波路１および第２の導波路１０の組み合わせ（本明細書において、「導波路ユニット」と称する。）を複数組用いて、２次元的な光のスキャンを実現する構成を説明する。２次元スキャンを実行可能な光スキャンデバイスは、第１の方向に配列された複数の導波路ユニットと、各導波路ユニットを制御する調整素子（例えばアクチュエータおよび制御回路の組み合わせ）を備える。調整素子は、各導波路ユニットにおける第２の導波路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。これにより、各第２の導波路１０から出射される光の方向を変化させることができる。また、複数の導波路ユニットにおける第２の導波路１０に、適切に位相差が調整された光が入力されることにより、図１を参照して説明したように、光の２次元スキャンが可能となる。以下、２次元スキャンを実現するための実施形態をより詳細に説明する。

＜２次元スキャンの動作原理＞
複数の導波路素子（すなわち、第２の導波路）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３０Ａ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３０Ａ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３０Ａ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３０Ａ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３０Ｂ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３０Ｂの例では、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。

導波路アレイから外部（ここでは空気とする。）へ出射される光の方向は、以下のように定量的に議論できる。

図３１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。互いに直交するＸ、ＹおよびＺ方向で定義される３次元空間において、光が空気に出射される領域と、導波路アレイとの境界面をＺ＝ｚ_０とする。この境界面は、複数の導波路素子１０のそれぞれの出射面を含む。Ｚ＜ｚ_０では、Ｙ方向に複数の導波路素子１０が等間隔に配列され、複数の導波路素子１０のそれぞれはＸ方向に延びている。Ｚ＞ｚ_０において、空気へ出射される光の電場ベクトルＥ（ｘ、ｙ、ｚ）は、以下の式（７）で表される。

ただしＥ_０は電場の振幅ベクトルであり、ｋ_ｘ、ｋ_ｙおよびｋ_ｚはそれぞれＸ、ＹおよびＺ方向における波数（ｗａｖｅ ｎｕｍｂｅｒ）であり、ｊは虚数単位である。この場合、空気へ出射される光の方向は、図３１において太い矢印で表される波数ベクトル（ｋ_ｘ、ｋ_ｙ、ｋ_ｚ）に平行となる。波数ベクトルの大きさは、以下の式（８）で表される。

Ｚ＝ｚ_０における電界の境界条件から、境界面に平行な波数ベクトル成分ｋ_ｘおよびｋ_ｙは、それぞれ導波路アレイにおける光のＸ方向およびＹ方向における波数に一致する。これは、式（２）のスネルの法則と同様に、境界面において、空気側の光が有する面方向の波長と、導波路アレイ側の光が有する面方向の波長とが一致する条件に相当する。

ｋ_ｘは、Ｘ方向に延びた導波路素子１０の光導波層２０を伝搬する光の波数に等しい。上述した図２に示される導波路素子１０では、ｋ_ｘは、式（２）および式（３）を用いて、以下の式（９）で表される。

ｋ_ｙは、隣接する２つの導波路素子１０の間の光の位相差から導出される。Ｙ方向に等間隔に配列されたＮ本の導波路素子１０のそれぞれのＹ方向の中心をｙ_ｑ（ｑ＝０、１、２、・・・、Ｎ－１）とし、隣接する２つの導波路素子１０の間の距離（中心間距離）をｐとする。そのとき、空気へ出射される光の電場ベクトル（式（７））は、境界面内（Ｚ＝ｚ_０）のｙ_ｑおよびｙ_ｑ＋１において、式（１０）の関係を満たす。

任意の隣接する２つの導波路素子１０の位相差がΔφ＝ｋ_ｙｐ（一定）となるように設定した場合、ｋ_ｙは、以下の式（１１）の関係を満たす。

この場合、ｙ_ｑにおける光の位相はφ_ｑ＝φ_０＋ｑΔφとなる（φ_ｑ＋１－φ_ｑ＝Δφ）。つまり、位相φ_ｑは、Ｙ方向に沿って、一定（Δφ＝０）か、比例して増加（Δφ＞０）または減少（Δφ＜０）する。Ｙ方向に配列された導波路素子１０が等間隔でない場合は、例えば、所望のｋ_ｙに対して、ｙ_ｑおよびｙ_ｑ＋１での位相差がΔφ_ｑ＝φ_ｑ＋１－φ_ｑ＝ｋ_ｙ（ｙ_ｑ＋１－ｙ_ｑ）となるように設定する。この場合、ｙ_ｑにおける光の位相はφ_ｑ＝φ_０＋ｋ_ｙ（ｙ_ｑ－ｙ_０）となる。式（１０）および式（１１）からそれぞれ得られるｋ_ｘおよびｋ_ｙを用いれば、式（８）からｋ_ｚが導出される。これにより、光の出射方向（すなわち、波数ベクトルの方向）が得られる。

例えば、図３１に示すように、出射光の波数ベクトル（ｋ_ｘ、ｋ_ｙ、ｋ_ｚ）と、その波数ベクトルをＹＺ平面に射影したベクトル（０、ｋ_ｙ、ｋ_ｚ）とがなす角度をθとする。θは、波数ベクトルとＹＺ平面とがなす角度である。θは、式（８）および式（９）を用いて、以下の式（１２）で表される。

式（１２）は、出射光がＸＺ平面に平行な場合に限定したときの式（３）と全く同じである。式（１２）からわかるように、波数ベクトルのＸ成分は、光の波長、光導波層２０の屈折率、および光導波層２０の厚さに依存して変化する。

同様に、図３１に示すように、出射光（０次光）の波数ベクトル（ｋ_ｘ、ｋ_ｙ、ｋ_ｚ）と、その波数ベクトルをＸＺ平面に射影したベクトル（ｋ_ｘ、０、ｋ_ｚ）とがなす角度をα_０とする。α_０は、波数ベクトルとＸＺ平面とがなす角度である。α_０は、式（８）および式（９）を用いて、以下の式（１３）で表される。

式（１３）からわかるように、光の波数ベクトルのＹ成分は、光の位相差Δφによって変化する。

このように、波数ベクトル（ｋ_ｘ、ｋ_ｙ、ｋ_ｚ）の代わりに、式（１２）および式（１３）からそれぞれ得られるθおよびα_０を用いて光の出射方向を特定することもできる。その場合、光の出射方向を表す単位ベクトルは、（ｓｉｎθ、ｓｉｎα_０、（１－ｓｉｎ^２α_０－ｓｉｎ^２θ）^１／２）と表すことができる。光出射においてこれらのベクトル成分はすべて実数でなければならないので、ｓｉｎ^２α_０＋ｓｉｎ^２θ≦１が満たされる。ｓｉｎ^２α_０≦１－ｓｉｎ^２θ＝ｃｏｓ^２θから、出射光は－ｃｏｓθ≦ｓｉｎα_０≦ｃｏｓθを満たす角度範囲で変化することがわかる。－１≦ｓｉｎα_０≦１から、θ＝０^ｏでは、出射光は－９０^ｏ≦α_０≦９０^ｏの角度範囲で変化する。しかし、θが増加するとｃｏｓθは小さくなるので、α_０の角度範囲は狭くなる。θ＝９０^ｏ（ｃｏｓθ＝０）では、α_０＝０^ｏのときのみしか光は出射されない。

本実施形態における光による２次元スキャンは、導波路素子１０が少なくとも２本あれば実現できる。しかし、導波路素子１０の本数が少ない場合、上記のα_０の広がり角度Δαが大きくなる。導波路素子１０の本数が増加するとΔαは小さくなる。このことは、以下のようにして説明できる。簡単のために、図３１においてθ＝０^ｏの場合を考える。つまり、光の出射方向がＹＺ平面に平行な場合を考える。

Ｎ本（Ｎは２以上の整数）の導波路素子１０のそれぞれから、同じ出射強度および上述した位相φ_ｑを有する光が出射されるとする。そのとき、Ｎ本の導波路素子１０から出射される合計の光（電場）の振幅分布の絶対値は、遠視野において、以下の式（１４）で表されるＦ（ｕ）に比例する。

ただし、ｕは以下の式（１５）で表される。

αは、ＹＺ平面において、観測点および原点を結ぶ直線と、Ｚ軸とがなす角度である。α_０は、式（１３）を満たす。式（１４）のＦ（ｕ）は、ｕ＝０（α＝α_０）でＮ（最大）となり、ｕ＝±２π／Ｎで０となる。ｕ＝－２π／Ｎおよび２π／Ｎを満たす角度をそれぞれα_１およびα_２とすると（α_１＜α_０＜α_２）、α_０の広がり角度はΔα＝α_２－α_１となる。－２π／Ｎ＜ｕ＜２π／Ｎ（α_１＜α＜α_２）の範囲のピークは、一般にメインローブと呼ばれる。メインローブの両側にはサイドローブと呼ばれる複数の小さいピークが存在する。メインローブの幅Δｕ＝４π／Ｎと、式（１５）から得られるΔｕ＝２πｐΔ（ｓｉｎα）／λとを比較すると、Δ（ｓｉｎα）＝２λ／（Ｎｐ）となる。Δαが小さければ、Δ（ｓｉｎα）＝ｓｉｎα_２－ｓｉｎα_１＝［（ｓｉｎα_２－ｓｉｎα_１）／（α_２－α_１）］Δα≒［ｄ（ｓｉｎα）／ｄα］_α＝α０Δα＝ｃｏｓα_０Δαとなる。このため、広がり角度は、以下の式（１６）で表される。

したがって、導波路素子１０の本数が多いほど、広がり角度Δαを小さくすることができ、遠方においても高精細な光スキャンが実現できる。同様の議論は、図３１においてθ≠０^ｏの場合にも適用できる。

＜導波路アレイから出射される回折光＞
導波路アレイからは０次光のほかに高次の回折光も出射され得る。簡単のために、図３１においてθ＝０^ｏの場合を考える。つまり、回折光の出射方向はＹＺ平面に平行である。

図３２Ａは、ｐがλよりも大きい場合において、導波路アレイから回折光が出射される様子を示す模式図である。この場合、位相シフトがなければ（α_０＝０^ｏ）、図３２Ａに示す実線矢印の方向に０次光および±１次光が出射される（ｐの大きさによっては、さらに高次の回折光も出射され得る）。この状態から位相シフトを与えると（α_０≠０^ｏ）、図３２Ａに示す破線矢印のように、０次光および±１次光の出射角度が同じ回転方向に変化する。±１次光のような高次光を用いてビームスキャンを行うことも可能であるが、よりシンプルにデバイスを構成する場合、０次光のみが用いられる。０次光の利得が低減することを回避するために、隣接する２つの導波路素子１０の間の距離ｐをλよりも小さくすることによって高次光の出射を抑制してもよい。ｐ＞λであっても、高次光を物理的に遮断することによって０次光のみを用いることも可能である。

図３２Ｂは、ｐがλよりも小さい場合において、導波路アレイから回折光が出射される様子を示す模式図である。この場合、位相シフトがなければ（α_０＝０^ｏ）、高次の回折光は、回折角度が９０度を超えるため存在せず、前方には０次光だけが出射する。ただし、ｐがλに近い値の場合、位相シフトを与えると（α_０≠０^ｏ）、出射角度の変化に伴って±１次光が出射される場合がある。

図３２Ｃは、ｐ≒λ／２の場合において、導波路アレイから回折光が出射される様子を示す模式図である。この場合、位相シフトを与えても（α_０≠０^ｏ）±１次光は出射しない、あるいは出射したとしてもかなり大きな角度で出射する。ｐ＜λ／２の場合は、位相シフトを与えても高次の光が出射することはない。しかし、ｐをこれ以上小さくすることによるメリットも特にない。よって、ｐは、例えばλ／２以上に設定され得る。

図３２Ａから図３２Ｃにおける空気へ出射される０次光および±１次光の関係は、以下のように定量的に説明できる。式（１４）のＦ（ｕ）は、Ｆ（ｕ）＝Ｆ（ｕ＋２π）であることから、２πの周期関数である。ｕ＝±２ｍπのとき、Ｆ（ｕ）＝Ｎ（最大）となる。そのとき、ｕ＝±２ｍπを満たす出射角度αで±ｍ次光が出射される。ｕ＝±２ｍπ（ｍ≠０）付近のピーク（ピーク幅はΔｕ＝４π／Ｎ）をグレーティングローブと呼ぶ。

高次光のうち、±１次光のみを考えると（ｕ＝±２π）、±１次光の出射角度α±は、以下の式（１７）を満たす。

＋１次光が出射されない条件ｓｉｎα_＋＞１から、ｐ＜λ／（１―ｓｉｎα_０）が得られる。同様に、－１次光が出射されない条件ｓｉｎα_－＜－１から、ｐ＜λ／（１＋ｓｉｎα_０）が得られる。

出射角度α_０（＞０）の０次光に対して±１次光が出射されるか否かの条件は、以下のように分類される。ｐ≧λ／（１―ｓｉｎα_０）の場合、±１次光の両方が出射される。λ／（１＋ｓｉｎα_０）≦ｐ＜λ／（１―ｓｉｎα_０）の場合、＋１次光は出射されないが－１次光は出射される。ｐ＜λ／（１＋ｓｉｎα_０）の場合、±１次光はいずれも出射されない。特に、ｐ＜λ／（１＋ｓｉｎα_０）を満たせば、図３１においてθ≠０^ｏの場合でも±１次光は出射されない。例えば、±１次光が出射されない場合において片側１０度以上のスキャンを達成するため、α_０＝１０°として、ｐは、ｐ≦λ／（１＋ｓｉｎ１０°）≒０．８５λの関係を満たす。例えば、この式と、ｐに関する前述の下限についての条件と組み合わせれば、ｐは、λ／２≦ｐ≦λ／（１＋ｓｉｎ１０°）を満たす。

しかし、±１次光が出射されない条件を満たすためには、ｐを非常に小さくする必要がある。これは、導波路アレイの作製を困難にする。そこで、±１次光の有無に関わらず、０次光を０°＜α_０＜α_ｍａｘの角度範囲でスキャンすることを考える。ただし、±１次光はこの角度範囲には存在しないとする。この条件を満たすためには、α_０＝０°において、＋１次光の出射角度はα_＋≧α_ｍａｘでなければならず（すなわち、ｓｉｎα_＋＝（λ／ｐ）≧ｓｉｎα_ｍａｘ）、α_０＝α_ｍａｘにおいて、－１次光の出射角度はα_－≦０でなければならない（すなわち、ｓｉｎα_－＝ｓｉｎα_ｍａｘ－（λ／ｐ）≦０）。これらの制限から、ｐ≦λ／ｓｉｎα_ｍａｘが得られる。

上記の議論から、±１次光がスキャンの角度範囲に存在しない場合における０次光の出射角度α_０の最大値α_ｍａｘは、以下の式（１８）を満たす。

例えば、±１次光がスキャンの角度範囲に存在しない場合において片側１０度以上のスキャンを達成するため、α_ｍａｘ＝１０°とし、ｐ≦λ／ｓｉｎ１０°≒５．７６λを満たす。例えば、今式と、ｐに関する前述の下限についての条件とを組み合わせれば、ｐは、λ／２≦ｐ≦λ／ｓｉｎ１０°を満たす。このｐの上限（ｐ≒５．７６λ）は±１次光が出射されない場合における上限（ｐ≒０．８５λ）と比べて十分大きいので、導波路アレイの作製は比較的容易である。ここで、使用される光が単一波長の光ではない場合、使用される光の中心波長をλとする。

以上のことから、より広い角度範囲をスキャンするためには、導波路間の距離ｐを小さくする必要がある。一方、ｐが小さい場合に式（１６）における出射光の広がり角度Δαを小さくするためには、アレイにおける導波路の本数を増やす必要がある。アレイにおける導波路の本数は、用途および要求される性能に応じて適宜決定される。アレイにおける導波路の本数は、例えば１６本以上、用途によっては１００本以上であり得る。

＜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。本実施形態におけ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」と呼ぶことがある。

図３３は、位相シフタ８０が導波路素子１０に直接的に接続されている構成の例を示す模式図である。図３３において、破線枠で囲まれた部分が位相シフタ８０に該当する。この位相シフタ８０は、前述の全反射導波路１と、全反射導波路１の近傍に配置されたヒーター６８とを含む。ヒーター６８は、外部の制御回路からの制御によって発熱し、導波路１内の屈折率を変化させる。これにより、導波路１内を伝搬する光の位相を変化させる。この例では、位相シフタ８０が、前述の「第１の導波路」を含む。このように、「第１の導波路」は、位相シフタとして機能してもよい。

位相シフタ８０は、図３３の構成に限定されない。位相シフタ８０は、導波路１に接続された屈折率が可変な他の導波路を含んでいてもよい。その場合、当該他の導波路内の屈折率を変調させることにより、位相シフトを生じさせることができる。当該他の導波路は、導波路素子１０と同様のスローライト導波路であってもよい。導波路素子１０と同様の方法により、屈折率の変調を生じさせることができる。

図３４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３４に示される例では、全ての位相シフタ８０が同じ伝搬特性を有し、全ての導波路素子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良い。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で、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１１０と、各位相シフタ８０を駆動する第２駆動回路２１０とをさらに備えている。図３４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１１０と第２駆動回路２１０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１１０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２１０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１１０は、後述するように、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２１０は、後述するように、各位相シフタ８０における導波路２０ａの屈折率を変化させることにより、導波路２０ａ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、全ての位相シフタ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２１０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。

図３５は、位相シフタ８０における導波路が、導波路素子１０における光導波層２０と、他の導波路８５を介して繋がる構成の例を模式的に示す図である。他の導波路８５は、上述した何れかの第１の導波路１であってもよい。各位相シフタ８０は、図３３に示す位相シフタ８０と同じ構成を有していてもよいし、異なる構成を有していてもよい。図３５では、位相シフタ８０を、位相シフト量を表す記号φ_０からφ_５を用いて、簡易的に表現している。以降の図でも同様の表現を用いることがある。位相シフタ８０には、全反射を利用して光を伝搬させる導波路を利用することができる。

図３６は、光分岐器９０にカスケード状に並ぶ複数の位相シフタ８０を挿入した構成例を示す図である。この例では、光分岐器９０の経路の途中に、複数の位相シフタ８０が接続されている。各位相シフタ８０は、伝搬する光に一定の位相シフト量φを与える。それぞれの位相シフタ８０が伝搬光に与える位相シフト量を一定にすることで、隣接する２つの導波路素子１０の間の位相差が等しくなる。したがって、第２調整素子は、全ての位相シフタ８０に共通の位相制御信号を送ることができる。このため、構成が容易になるという利点がある。

光分岐器９０、位相シフタ８０および導波路素子１０などの間で、光を効率的に伝搬させるために、導波路を利用することができる。導波路には、周囲の材料よりも高い屈折率を有する、光の吸収が少ない光学材料を用いることができる。例えば、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＡｌＮ、ＳｉＮなどの材料が用いられ得る。また、光分岐器９０から導波路素子１０に光を伝搬させるために、上述した何れかの第１の導波路１を用いてもよい。

位相シフタ８０では、光に位相差を与えるために光路長を変える機構が必要である。光路長を変えるために、本実施形態では、位相シフタ８０における導波路の屈折率が変調される。これにより、隣接する２つの位相シフタ８０から導波路素子１０に供給される光の位相差を調整することができる。より具体的には、位相シフタ８０が有する導波路内の位相シフト材料の屈折率変調を行うことで、位相シフトを与えることができる。屈折率変調を行う構成の具体例については、後述する。

＜第１調整素子の例＞
次に、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調整する第１調整素子の構成例を説明する。

まず、屈折率を調整する場合の構成例を説明する。

図３７Ａは、第１調整素子６０（以下、単に調整素子と呼ぶことがある）の構成の一例を模式的に示す斜視図である。図３７Ａに示される例では、一対の電極６２を有する調整素子６０が導波路素子１０に組み込まれている。光導波層２０は、一対の電極６２に挟まれている。光導波層２０および一対の電極６２は、第１のミラー３０と第２のミラー４０との間に設けられている。光導波層２０の側面（ＸＺ面に平行な表面）の全体が、電極６２に接触している。光導波層２０は、電圧が印加された場合に、光導波層２０を伝搬する光に対する屈折率が変化する屈折率変調材料を含む。調整素子６０は、一対の電極６２から引き出された配線６４と、配線６４に接続された電源６６とをさらに有している。電源６６をオンにして配線６４を通じて一対の電極６２に電圧を印加することで、光導波層２０の屈折率を変調することができる。このため、調整素子６０を屈折率変調素子と呼ぶこともできる。

図３７Ｂは、第１調整素子６０の他の構成例を模式的に示す斜視図である。この例では、光導波層２０の側面の一部のみが電極６２に接触している。それ以外の点は、図３７Ａに示す構成と同じである。このように、光導波層２０の屈折率を部分的に変化させる構成であっても、出射光の方向を変化させることができる。

図３７Ｃは、調整素子６０のさらに他の構成例を模式的に示す斜視図である。この例では、一対の電極６２は、ミラー３０およびミラー４０の反射面に略平行な層状の形状を有する。一方の電極６２は、第１のミラー３０と光導波層２０との間に挟まれている。他方の電極６２は、第２のミラー４０と光導波層２０との間に挟まれている。このような構成を採用する場合、電極６２には、透明電極が用いられ得る。このような構成によれば、製造が比較的容易であるという利点がある。

図３７Ａから図３７Ｃに示す例では、各導波路素子１０における光導波層２０は、電圧が印加された場合に、光導波層２０を伝搬する光に対する屈折率が変化する材料を含む。第１調整素子６０は、光導波層２０を挟む一対の電極６２を有し、一対の電極６２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。電圧の印加は、前述の第１駆動回路１１０（図３４参照）によって行われ得る。

ここで、各構成要素に用いられ得る材料の例を説明する。

ミラー３０、ミラー４０、ミラー３０ａ、およびミラー４０ａの材料には、例えば誘電体による多層膜を用いることができる。多層膜を用いたミラーは、例えば、各々が１／４波長の光学厚さを有する、屈折率の異なる複数の膜を周期的に形成することによって作製できる。このような多層膜ミラーによれば、高い反射率を得ることができる。膜の材料として、例えばＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｓｉ、ＳｉＮなどを用いることができる。各ミラーは、多層膜ミラーに限らず、Ａｇ、Ａｌなどの金属で形成されていてもよい。

電極６２および配線６４には、導電性を有する様々な材料を利用することができる。例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｗ、Ｔｉ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｐｄなどの金属材料、またはＩＴＯ、酸化錫、酸化亜鉛、ＩＺＯ（登録商標）、ＳＲＯなどの無機化合物、またはＰＥＤＯＴ、ポリアニリンなどの導電性高分子などの導電性材料を用いることができる。

光導波層２０の材料には、誘電体、半導体、電気光学材料、液晶分子などの様々な透光性の材料を利用することができる。誘電体としては、例えばＳｉＯ _２、ＴｉＯ _２、Ｔａ _２Ｏ _５、ＳｉＮ、ＡｌＮが挙げられる。半導体材料としては、例えば、Ｓｉ系、ＧａＡｓ系、ＧａＮ系の材料が挙げられる。電気光学材料としては、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ _３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ _３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ _３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ）、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ）などが挙げられる。

光導波層２０の屈折率を変調する方法には、例えば、キャリア注入効果、電気光学効果、複屈折効果、または熱光学効果を利用した方法がある。以下、各方法の例を説明する。

キャリア注入効果を利用した方法は、半導体のｐｉｎ接合を利用した構成によって実現され得る。この方法では、ドープ濃度の低い半導体材料をｐ型半導体およびｎ型半導体で挟み込んだ構造が用いられ、半導体にキャリアを注入することによって屈折率が変調される。この構成では、各導波路素子１０における光導波層２０は、半導体材料を含む。一対の電極６２の一方はｐ型半導体を含み、他方はｎ型半導体を含み得る。第１調整素子６０は、一対の電極６２に電圧を印加することにより、半導体材料にキャリアを注入し、光導波層２０の屈折率を変化させる。光導波層２０をノンドープまたは低ドープ濃度の半導体で作製し、これに接するようにｐ型半導体およびｎ型半導体を設ければ良い。低ドープ濃度の半導体にｐ型半導体およびｎ型半導体が接するように配置し、さらにｐ型半導体およびｎ型半導体に導電性材料が接するような複合的な構成にしてもよい。例えば、Ｓｉに１０^２０ｃｍ^－３程度のキャリアを注入すると、Ｓｉの屈折率が０．１程度変化する（例えば、“Ｆｒｅｅ ｃｈａｒｇｅ ｃａｒｒｉｅｒ ｉｎｄｕｃｅｄ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ” ７^ｔｈ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｇｒｏｕｐ ＩＶ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ， Ｐ１０２ ‐ １０４， １－３ Ｓｅｐｔ． ２０１０を参照）。この方法を採用する場合、図３７Ａから図３７Ｃにおける一対の電極６２の材料として、ｐ型半導体およびｎ型半導体が用いられ得る。あるいは、一対の電極６２は金属で構成し、電極６２と光導波層２０との間の層、または、光導波層２０自体にｐ型またはｎ型半導体を含ませてもよい。

電気光学効果を利用した方法は、電気光学材料を含む光導波層２０に電場をかけることで実現され得る。特に、電気光学材料としてＫＴＮを用いれば、大きな電気光学効果を得ることができる。ＫＴＮは正方晶から立方晶への相転移温度よりも少し高い温度で比誘電率が著しく上昇するため、この効果を利用することができる。例えば、“Ｌｏｗ－Ｄｒｉｖｉｎｇ－Ｖｏｌｔａｇｅ Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ Ｗｉｔｈ Ｎｏｖｅｌ ＫＴａ１－ｘＮｂｘＯ３ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ” Ｊｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．， Ｖｏｌ．４３， Ｎｏ． ８Ｂ （２００４）によれば、波長１．５５μｍの光に対して電気光学定数ｇ＝４．８×１０^－１５ｍ^２／Ｖ^２が得られる。よって、例えば２ｋＶ／ｍｍの電場をかけると、屈折率が０．１（＝ｇｎ^３Ｅ^３／２）程度変化する。このように、電気光学効果を利用した構成では、各導波路素子１０における光導波層２０は、ＫＴＮなどの電気光学材料を含む。第１調整素子６０は、一対の電極６２に電圧を印加することにより、電気光学材料の屈折率を変化させる。

液晶による複屈折効果を利用した方法では、液晶材料を含む光導波層２０を電極６２で駆動することで、液晶の屈折率異方性を変化させることができる。これにより、光導波層２０を伝搬する光に対する屈折率を変調することができる。液晶は一般に０．１から０．２程度の複屈折率差を有するので、液晶の配向方向を電場で変えることで複屈折率差と同等の屈折率変化が得られる。このように、液晶の複屈折効果を利用した構成では、各導波路素子１０における光導波層２０は、液晶材料を含む。第１調整素子６０は、一対の電極６２に電圧を印加することにより、液晶材料の屈折率異方性を変化させ、光導波層２０の屈折率を変化させる。

熱光学効果は、材料の温度変化に伴って屈折率が変化する効果である。熱光学効果による駆動を行うために、熱光学材料を含む光導波層２０を加熱することで屈折率を変調してもよい。

図３８は、高い電気抵抗を有する材料によって構成されるヒーター６８を含む調整素子６０と導波路素子１０とを組み合わせた構成の例を示す図である。ヒーター６８は、光導波層２０の近傍に配置され得る。電源６６をオンにして導電性材料を含む配線６４を通じてヒーター６８に電圧をかけることにより、加熱することができる。ヒーター６８を光導波層２０に接触させてもよい。本構成例では、各導波路素子１０における光導波層２０は、温度変化に伴って屈折率が変化する熱光学材料を含む。第１調整素子６０は、光導波層２０に接触してまたは光導波層２０の近傍に配置されたヒーター６８を有する。第１調整素子６０は、ヒーター６８によって熱光学材料を加熱することにより、光導波層２０の屈折率を変化させる。

光導波層２０自体を高電気抵抗材料で作製し、光導波層２０を直接一対の電極６２で挟み電圧を印加することで加熱してもよい。その場合、第１調整素子６０は、光導波層２０を挟む一対の電極６２を有する。第１調整素子６０は、一対の電極６２に電圧を印加して光導波層２０における熱光学材料（例えば、高電気抵抗材料）を加熱することにより、光導波層２０の屈折率を変化させる。

ヒーター６８または光導波層２０に用いられる高電気抵抗材料として、半導体または抵抗率の大きい金属材料を用いることができる。半導体としては、例えば、Ｓｉ、ＧａＡｓ、またはＧａＮなどを用いることができる。また、抵抗率の高い金属としては、鉄、ニッケル、銅、マンガン、クロム、アルミニウム、銀、金、プラチナ、またはこれら複数の材料を組み合わせた合金などが用いられ得る。例えば、波長１５００ｎｍの光に対するＳｉの屈折率の温度依存性ｄｎ／ｄＴは１．８７×１０^－４（Ｋ^－１）である（“Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ－ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ａｎｄ ｇｅｒｍａｎｉｕｍ”， Ｐｒｏｃ． ＳＰＩＥ ６２７３， Ｏｐｔｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ Ａｓｔｒｏｎｏｍｙ， ６２７３２Ｊを参照）。したがって、温度を５００℃変えると屈折率を０．１程度変化させることができる。光導波層２０の近傍にヒーター６８を設け局所的に加熱すれば、５００℃という大きい温度変化でも比較的高速に行うことができる。

キャリア注入による屈折率変化の応答速度は、キャリアの寿命によって決まる。一般に、キャリア寿命はナノ秒（ｎｓ）のオーダーであるため１００ＭＨｚから１ＧＨｚ程度の応答速度が得られる。

電気光学材料を用いた場合、電場をかけて電子の分極を誘起することで屈折率変化が生じる。分極を誘起する速度は一般的に極めて高速で、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３などの材料では応答時間はフェムト秒（ｆｓ）オーダーであるため、１ＧＨｚを越えた高速駆動が可能である。

熱光学材料を用いた場合、温度昇降の速度で屈折率変化の応答速度が決まる。局所的に導波路近傍のみ加熱することで急激な温度上昇が得られる。また、局所的に温度が上がった状態でヒーターを切ると周辺に放熱することで急激に温度を下げることができる。速いものでは１００ＫＨｚ程度の応答速度が得られる。

以上の例では、第１調整素子６０は、各光導波層２０の屈折率を同時に一定の値だけ変化させることにより、出射光の波数ベクトルのＸ成分を変化させる。屈折率変調において、その変調量は材料の特性に依存し、大きな変調量を得るためには、高い電界を印加したり、液晶を配向させたりする必要がある。一方、導波路素子１０から出射される光の方向は、ミラー３０とミラー４０の間の距離にも依存する。したがって、ミラー３０とミラー４０の間の距離を変えることによって光導波層２０の厚さを変化させてもよい。以下、光導波層２０の厚さを変化させる構成の例を説明する。

光導波層２０の厚さを変えるためには、光導波層２０は、例えば気体または液体などの容易に変形する材料で構成され得る。光導波層２０を挟むミラー３０およびミラー４０の少なくとも一方を移動させることにより、光導波層２０の厚さを変化させることができる。この際、上下のミラー３０とミラー４０の間の平行度を保つために、ミラー３０またはミラー４０の変形を最小限にするような構成が採用され得る。

図３９は、変形し易い材料で構成された支持部材７０でミラー３０が保持された構成例を示す図である。支持部材７０は、ミラー３０よりも相対的に変形しやすい厚さの薄い部材または細いフレームを含み得る。この例では、第１調整素子は、各導波路素子１０における第１のミラー３０に接続されたアクチュエータを有する。アクチュエータは、第１のミラー３０と第２のミラー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。なお、アクチュエータは、第１のミラー３０および第２のミラー４０の少なくとも一方に接続され得る。ミラー３０を駆動するアクチュエータとして、例えば、静電気力、電磁誘導、圧電材料、形状記憶合金、または熱を利用した種々のアクチュエータを用いることができる。

静電気力を利用した構成では、第１調整素子におけるアクチュエータは、静電気力によって発生する電極間の引力または斥力を用いてミラー３０および／または４０を移動させる。以下、そのような構成のいくつかの例を説明する。

図４０は、電極間に発生する静電気力によってミラー３０および／またはミラー４０を移動させる構成の一例を示す図である。この例では、ミラー３０と光導波層２０との間、およびミラー４０と光導波層２０との間に、透光性を有する電極６２（例えば透明電極）が設けられている。ミラー３０の両側に配置された支持部材７０の各々は、一端がミラー３０に固定され、他端が不図示の筐体に固定されている。一対の電極６２に正負の電圧を印加することで、引力が生じ、ミラー３０とミラー４０の間の距離が縮小する。電圧の印加を止めると、ミラーを保持する支持部材７０の復元力が生じ、ミラー３０とミラー４０の間の距離が元の長さに戻る。このような引力を生じさせる電極６２は、ミラー全面に設けられている必要はない。この例におけるアクチュエータは、一対の電極６２を有し、一対の電極６２の一方は第１のミラー３０に固定され、一対の電極６２の他方は第２のミラー４０に固定されている。アクチュエータは、一対の電極６２に電圧を印加することにより、電極間に静電気力を発生させ、第１のミラー３０と第２のミラー４０との距離を変化させる。なお、電極６２への電圧の印加は、前述の第１駆動回路１１０（例えば図３４）によって行われる。

図４１は、引力を生じさせる電極６２を、光の伝搬を妨げない位置に配置した構成例を示す図である。この例では、電極６２を透明にする必要はない。図示されているように、ミラー３０およびミラー４０のそれぞれに固定された電極６２は単一である必要はなく、分割されていてもよい。分割された電極の一部の静電容量を計測することで、ミラー３０とミラー４０の間の距離を計測し、ミラー３０とミラー４０の平行度を調整するなどのフィードバック制御を行うことができる。

電極間の静電気力を利用する代わりに、コイル内の磁性体に引力または斥力を生じさせる電磁誘導を利用してミラー３０および／または４０を駆動してもよい。

圧電材料、形状記憶合金、または熱による変形を利用したアクチュエータでは、外部から加えられたエネルギーによって材料が変形する現象が利用される。例えば、代表的な圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）は、電界を分極方向に印加することによって伸縮する。この圧電材料によってミラー３０とミラー４０の間の距離を直接変化させることができる。しかし、ＰＺＴの圧電定数は１００ｐｍ／Ｖ程度であるため、例えば１Ｖ／μｍの電界を印加しても変位量は０．０１％程度と微小である。このため、このような圧電材料を用いた場合には、十分なミラーの移動距離を得ることができない。そこで、ユニモルフまたはバイモルフと呼ばれる構成を用いて、変化量を増加させることができる。

図４２は、圧電材料を含む圧電素子７２の例を示す図である。矢印は、圧電素子７２の変位方向を示し、その矢印の大きさは変位量を示す。図４２に示すように、圧電素子７２の変位量は材料の長さに依存するため、面方向の変位量は厚さ方向の変位量よりも大きい。

図４３Ａは、図４２に示す圧電素子７２を用いたユニモルフの構造を有する支持部材７４ａの構成例を示す図である。この支持部材７４ａは、１層の圧電素子７２と、１層の非圧電素子７１とが積層された構造を有する。このような支持部材７４ａをミラー３０およびミラー４０の少なくとも一方に固定し、変形させることにより、ミラー３０とミラー４０の間の距離を変化させることができる。

図４３Ｂは、圧電素子７２に電圧を印加することによって支持部材７４ａが変形した状態の例を示す図である。圧電素子７２に電圧が印加されると、圧電素子７２のみが面方向に伸びるため、支持部材７４ａ全体がたわむ。このため、非圧電素子７１が無い場合と比較して、変位量を増加させることができる。

図４４Ａは、図４２に示す圧電素子７２を用いたバイモルフの構造を有する支持部材７４ｂの構成例を示す図である。この支持部材７４ｂは、２層の圧電素子７２と、その間の１層の非圧電素子７１とが積層された構造を有する。このような支持部材７４ｂをミラー３０およびミラー４０の少なくとも一方に固定し、変形させることにより、ミラー３０とミラー４０の間の距離を変化させることができる。

図４４Ｂは、両側の圧電素子７２に電圧を印加することによって支持部材７４ａが変形した状態の例を示す図である。バイモルフでは、上下の圧電素子７２において変位方向が反対になる。そのため、バイモルフの構成を用いた場合、ユニモルフの構成よりもさらに変位量を増加させることができる。

図４５は、図４３Ａに示す支持部材７４ａをミラー３０の両側に配置したアクチュエータの例を示す図である。このような圧電アクチュエータによって梁をたわませるように支持部材７４ａを変形させることにより、ミラー３０とミラー４０の間の距離を変化させることができる。図４３Ａに示す支持部材７４ａに代えて、図４４Ａに示す支持部材７４ｂを用いてもよい。

なお、ユニモルフ型のアクチュエータは、円弧状に変形するため、図４６Ａに示すように、固定されていない側の先端には傾きが生じる。そのため、ミラー３０の剛性が低いと、ミラー３０とミラー４０を平行に保持することが困難である。そこで、図４６Ｂに示すように、伸縮する方向の異なる２つのユニモルフ型の支持部材７４ａを直列に繋ぎ合わせてもよい。図４６Ｂの例では、支持部材７４ａにおいて、伸縮する領域と伸展する領域とで、たわむ方向が反対になる。その結果、固定されていない側の先端に傾きを生じさせないようにすることができる。このような支持部材７４ａを用いることにより、ミラー３０およびミラー４０が傾くことを抑制することができる。

上記と同様に、熱膨張係数の異なる材料を貼り合わせることによっても、たわみ変形する梁構造を実現することができる。さらに、梁構造を形状記憶合金で実現することもできる。いずれも、ミラー３０とミラー４０の距離の調整に利用され得る。

また、光導波層２０を密閉空間とし、内部の空気または液体を小型ポンプなどで出し入れして光導波層２０の体積を変化させることによってミラー３０とミラー４０の間の距離を変えることも可能である。

以上のように、第１調整素子におけるアクチュエータは、多様な構造によって光導波層２０の厚さを変化させることができる。このような厚さの変化は、複数の導波路素子１０のそれぞれについて個別に行ってもよいし、全ての導波路素子１０について一律に行ってもよい。特に、複数の導波路素子１０の構造が全て同じである場合、各導波路素子１０におけるミラー３０とミラー４０の間の距離が一定に制御される。このため、１つのアクチュエータが、全ての導波路素子１０を一括して駆動することができる。

図４７は、支持部材（すなわち、補助基板）５２に保持された複数の第１のミラー３０をアクチュエータで一括して駆動する構成の例を示す図である。図４７では、第２のミラー４０は１つのプレート状のミラーである。ミラー４０は、前述の実施形態のように、複数のミラーに分割されていてもよい。支持部材５２は、透光性を有する材料で構成され、両側にユニモルフ型の圧電アクチュエータが設けられている。

図４８は、複数の導波路素子１０における第１のミラー３０が１つのプレート状のミラーである構成例を示す図である。この例では、第２のミラー４０は、導波路素子１０ごとに分割されている。図４７および図４８の例のように、各導波路素子１０におけるミラー３０およびミラー４０の少なくとも一方が、１つのプレート状のミラーの部分であってもよい。アクチュエータは、当該プレート状のミラーを移動させることにより、ミラー３０とミラー４０の間の距離を変化させてもよい。

＜液晶材料を用いた構成の具体例＞
次に、光導波層２０に液晶材料を用いた構成の具体例を説明する。

前述のように、液晶による複屈折効果を利用した方法では、液晶材料を含む光導波層２０を電極６２で駆動することで、液晶の屈折率異方性を変化させることができる。これにより、光導波層２０を伝搬する光に対する屈折率を変調することができる。液晶は一般に０．１から０．２程度の複屈折率差を有するので、液晶の配向方向を電場で変えることで複屈折率差と同等の屈折率変化が得られる。このように、液晶の複屈折効果を利用した構成では、各導波路素子１０における光導波層２０は、液晶材料を含む。第１調整素子６０における駆動回路は、一対の電極６２に電圧を印加することにより、液晶材料の屈折率異方性を変化させ、光導波層２０の屈折率を変化させることができる。

電圧印加時に屈折率の変化を大きくするためには、一対の電極６２の配置と、液晶材料の配向方向すなわち液晶分子の長手方向とが適切な関係にあることが望まれる。さらに、光導波層２０に入力する光として、直線偏光を用い、その偏光方向を適切な方向に設定することが望まれる。

液晶の複屈折差は、液晶分子の長手方向の誘電率と短手方向の誘電率とが異なることに起因する。このため、光導波層２０内の液晶分子の配向方向を入射光の偏光方向に応じて適切に制御することで、より効果的に屈折率を変化させることができる。

図４９Ａおよび図４９Ｂは、光導波層２０に液晶材料７５を用いた構成の第１の例を示している。図４９Ａおよび図４９Ｂには、一対の電極６２に挟まれた光導波層２０と、一対の電極６２に電圧を印加する駆動回路１１０とが示されている。この例における駆動回路１１０は、駆動電源１１１と、スイッチング素子１１２（以下、スイッチ１１２とも称する）とを備えている。図４９Ａはスイッチ１１２がＯＦＦの状態を示し、図４９Ｂはスイッチ１１２がＯＮの状態を示している。

一対の電極６２は、透明電極である。一対の電極６２は、図示されていない第１および第２のミラーに平行に配置されている。すなわち、一対の電極６２は、電圧が印加されたとき、各ミラーの法線方向であるＺ方向に電場を発生させるように配置されている。図４９Ａに示されるように、液晶分子７６の長手方向は、一対の電極６２に電圧が印加されていない状態において、光導波層２０が延びる方向（Ｘ方向）に平行である。

図４９Ａおよび図４９Ｂにおける実線矢印は光の進行方向を示し、破線矢印は偏光方向を示している。この例においては、光導波層２０にはＰ偏光が入力される。Ｐ偏光は、光の入射面に平行に電場が振動する直線偏光である。光の入射面は、各ミラーの反射面に入射する光の方向と反射される光の方向とで形成される面である。本実施形態では、光の入射面はＸＺ面にほぼ平行である。各ミラーの反射面における光の入射角および反射角をθとするとき、Ｐ偏光の光の電場の振動方向は、ＸＺ面内においてＸ方向から角度θだけ傾斜した方向である。しかし、図４９Ａ、図４９Ｂ、および以降の図では、Ｓ偏光との区別をわかり易くするために、θが十分に小さいものとして、Ｐ偏光の偏光方向を示す破線矢印を、Ｘ方向に平行に示している。

光導波層２０のＺ方向のサイズ（高さ）は、例えば０．１μｍから１０μｍの範囲内の値、より望ましくは０．２μｍから３μｍの範囲内の値に設定され得る。光導波層２０のＹ方向のサイズ（幅）は、例えば１μｍから１００μｍの範囲内の値、より望ましくは１μｍから３０μｍの範囲内の値に設定され得る。光導波層２０のＸ方向のサイズ（長さ）は、例えば１００μｍから１００ｍｍの範囲内の値、より望ましくは１ｍｍから３０ｍｍの範囲内の値に設定され得る。

液晶材料は、例えばネマチック液晶であり得る。ネマチック液晶の分子構造は、以下のとおりである。
Ｒ１－Ｐｈ１－Ｒ２－Ｐｈ２－Ｒ３

ここで、Ｒ１は、アミノ基、カルボニル基、カルボキシル基、シアノ基、アミン基、ニトロ基、ニトリル基、およびアルキル鎖からなる群から選択されるいずれか１つを表す。Ｒ３は、アミノ基、カルボニル基、カルボキシル基、シアノ基、アミン基、ニトロ基、ニトリル基、およびアルキル鎖からなる群から選択されるいずれか一つを表す。Ｐｈ１は、フェニル基またはビフェニル基等の芳香族基を表す。Ｐｈ２は、フェニル基またはビフェニル基等の芳香族基を表す。Ｒ２は、ビニル基、カルボニル基、カルボキシル基、ジアゾ基、およびアゾキシ基からなる群から選択されるいずれか１つを表す。

液晶は、ネマチック液晶に限定されない。例えば、スメクチック液晶を用いてもよい。液晶は、スメクチック液晶の中でも、例えばスメクチックＣ相（ＳｍＣ相）であってもよい。スメクチック液晶は、スメクチックＣ相（ＳｍＣ相）の中でも、例えば液晶分子内にキラル中心（例えば、不斉炭素）を有し強誘電性液晶であるカイラルスメクチック相（ＳｍＣ^＊相）あってもよい。

ＳｍＣ^＊相の分子構造は、以下のように表される。

Ｒ１、Ｒ４は、それぞれ独立して、アミノ基、カルボニル基、カルボキシル基、シアノ基、アミン基、ニトロ基、ニトリル基、およびアルキル鎖からなる群から選択されるいずれか１つである。Ｐｈ１は、フェニル基またはビフェニル基等の芳香族基である。Ｐｈ２は、フェニル基またはビフェニル基等の芳香族基である。Ｒ２は、ビニル基、カルボニル基、カルボキシル基、ジアゾ基、およびアゾキシ基からなる群から選択されるいずれか１つである。Ｃｈ^＊はキラル中心を表す。キラル中心は典型的には炭素（Ｃ^*）である。Ｒ３は、水素、メチル基、アミノ基、カルボニル基、カルボキシル基、シアノ基、アミン基、ニトロ基、ニトリル基、およびアルキル鎖からなる群から選択されるいずれか１つである。Ｒ５は、水素、メチル基、アミノ基、カルボニル基、カルボキシル基、シアノ基、アミン基、ニトロ基、ニトリル基、およびアルキル鎖からなる群から選択されるいずれか一つである。Ｒ３、Ｒ４、およびＲ５は、互いに異なる官能基である。

液晶材料は、組成の異なる複数の液晶分子の混合物であってもよい。例えば、ネマチック液晶分子と、スメクチック液晶分子との混合物を光導波層２０の材料として用いてもよい。

一般に、液晶セル内に液晶材料を注入する際には、液晶セルの温度を上げ、液晶材料の流動性を増した状態で液晶セル内に液晶材料を注入する。このため、注入時の流れに沿った方向に液晶分子が配向する傾向が高いことが知られている。図４９Ａに示す光導波層２０に液晶を注入する場合には、光導波層２０のＹＺ面に平行な端面から液晶材料を注入すると、液晶分子７６は、光導波層２０の長手方向（Ｘ方向）に平行に配向する。

図４９Ａに示すように、駆動回路１１０のスイッチング素子１１２がＯＦＦ、すなわち光導波層２０に駆動電圧が印加されない状態では、伝搬する光の偏光方向と液晶分子の長手方向とが平行に近くなる。厳密には、偏光方向と液晶分子の長手方向とは、前述のとおり角度θで交差する。この状態では、光導波層２０は、伝搬する光に対して比較的高い屈折率をもつ。この際の液晶の屈折率ｎ_∥は、一般的な液晶材料を使用した場合、概ね１．６から１．７程度である。この状態では、光導波層２０から出射する光の出射角は、比較的大きくなる。

他方、図４９Ｂに示すように、駆動回路１１０のスイッチング素子１１２をＯＮ、すなわち光導波層２０に駆動電圧を印加すると、液晶分子７６が透明電極６２に対して垂直に立ち上がるように配向する。このため、伝搬する光の偏光方向と液晶分子の長手方向とがなす角度が９０度に近くなる。厳密には、偏光方向と液晶分子の長手方向とは、角度（９０°－θ）で交差する。この状態では、光導波層２０は、伝搬する光に対して比較的低い屈折率をもつ。この際の液晶の屈折率ｎ _⊥は、一般的な液晶材料を使用した場合、概ね１．４から１．５程度である。この状態では、光導波層２０から出射する光の出射角は、比較的小さくなる。

なお、図４９Ｂは、図中の下側の電極６２と光導波層２０との間に配向膜がある例を示している。配向膜があるため、図中の下側の液晶分子７６は立ち上がりにくくなっている。このような配光膜は、上側の電極６２に設けられていてもよい。配向膜は設けられていなくてもよい。

このように、光導波層２０に液晶材料を用いることで、印加電圧のＯＮ／ＯＦＦによって屈折率を０．１から０．２程度変化させることができる。これにより、光導波層２０から出射する光の出射角を変化させることができる。

なお、この例では、駆動回路１１０が駆動電源１１１とスイッチング素子１１２とを有しているが、このような構成に限定されない。例えば、駆動回路１１０は、スイッチング素子１１２の代わりに電圧アンプ（ｖｏｌｔａｇｅ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）のような電圧制御回路を用いてもよい。そのような構成を用いることで、液晶分子７６の配向を連続的に変化することが可能となり、任意の出射角度に制御することができる。

図５０は、光導波層２０に光を入力する光入力装置１１３の構成例を模式的に示す断面図である。この例における光入力装置１１３は、光源１３０と、光源１３０から出射された光を伝搬して光導波層２０に入力する導波路１とを有している。この例における導波路１は、図３３に示す構成と同様の位相シフタ８０であるが、他の構造をもつ導波路であってもよい。

光源１３０は、図５０におけるＸＺ面内で振動する電場をもつ直線偏光を出射する。光源１３０から出射された直線偏光は、位相シフタ８０を介して光導波層２０に入射し、Ｐ偏光として伝搬する。このように、光スキャンデバイスは、光導波層２０にＰ偏光を入力する光入力装置１１３を備えていてもよい。後述する例のように、光導波層２０にＳ偏光、すなわち、Ｙ方向に振動する電場をもつ直線偏光を入力する場合には、光源１３０もＳ偏光を出射するように構成され得る。

図５１Ａおよび図５１Ｂは、光導波層２０に液晶材料を用いた構成の第２の例を示している。第２の例が第１の例と異なる点は、入射光の偏光がＳ偏光であり、一対の電極６２に電圧が印加されていない状態において、液晶分子７６の配向方向が、光導波層２０が延びる方向（Ｘ方向）および各ミラーの法線方向（Ｚ方向）の両方に垂直な方向（Ｙ方向）である点にある。入射光がＳ偏光であるため、その電場の方向は入射面に垂直なＹ方向である。

液晶分子７６の配向方向は、液晶を挿入する前に予め液晶セルとなる上下の電極６２の表面をラビングすることで配向方向を制御することができる。また、上下の電極６２の表面にポリイミド等の配向層（配向膜）を塗布形成することで配向方向を制御することができる。

図５１Ａに示すように、駆動回路１１０のスイッチング素子１１２がＯＦＦ、すなわち光導波層２０に駆動電圧が印加されない状態では、伝搬する光の偏光方向と液晶分子の長手方向とがほぼ平行である。この状態では、光導波層２０は、伝搬する光に対して比較的高い屈折率をもつ。この際の液晶の屈折率ｎ_∥は、一般的な液晶材料を使用した場合、概ね１．６から１．７程度である。この状態では、光導波層２０から出射する光の出射角は、比較的大きくなる。

他方、図５１Ｂに示すように、駆動回路１１０のスイッチング素子１１２をＯＮ、すなわち光導波層２０に駆動電圧を印加すると、液晶分子７６が透明電極６２に対して垂直に立ち上がるように配向する。このため、伝搬する光の偏光方向と液晶分子の長手方向とがなす角度はほぼ直角になる。この状態では、光導波層２０は、伝搬する光に対して比較的低い屈折率をもつ。この際の液晶の屈折率ｎ _⊥は、一般的な液晶材料を使用した場合、概ね１．４から１．５程度である。この状態では、光導波層２０から出射する光の出射角は、比較的小さくなる。

図５１Ａおよび図５１Ｂに示す構成では、電圧が印加されていない状態では偏光方向と液晶分子７６の配向方向とが一致し、高い電圧が印加されている状態では偏光方向と液晶分子７６の配向方向とが直交する。このため、図４９Ａおよび図４９Ｂに示す構成と比較して、同一の電圧の印加に対して屈折率をより大きく変化させることができる。したがって、光の出射角度をより大きく変化させることができる。他方、図４９Ａおよび図４９Ｂに示す構成は、製造し易いという利点がある。

図５２Ａおよび図５２Ｂは、光導波層２０に液晶材料を用いた構成の第３の例を示している。第３の例が第１の例と異なる点は、入射光の偏光がＳ偏光であり、一対の電極６２が、光導波層２０を間に挟んで、ＸＺ面に平行に配置されている点にある。この例における一対の電極６２は、第１のミラー３０および第２のミラー４０の各々にほぼ垂直に配置されている。一対の電極６２は、電圧が印加されたとき、光導波層２０が延びる方向（Ｘ方向）および各ミラーの法線方向（Ｚ方向）の両方に垂直なＹ方向に電場を発生させる。第１の例と同様、一対の電極に電圧が印加されていない状態において、液晶材料の配向方向は光導波層２０が延びる方向に平行である。

図５２Ａに示すように、駆動回路１１０のスイッチング素子１１２がＯＦＦ、すなわち光導波層２０に駆動電圧が印加されない状態では、伝搬する光の偏光方向と液晶分子の長手方向とがほぼ垂直になる。この状態では、光導波層２０は、伝搬する光に対して比較的低い屈折率をもつ。この際の液晶の屈折率ｎ_⊥は、一般的な液晶材料を使用した場合、概ね１．４から１．５程度である。この状態では、光導波層２０から出射する光の出射角は、比較的小さくなる。

他方、図５２Ｂに示すように、駆動回路１１０のスイッチング素子１１２をＯＮ、すなわち光導波層２０に駆動電圧を印加すると、液晶分子７６の長手方向が、光導波層２０が延びる方向（Ｘ方向）ならびにミラー３０およびミラー４０の各々の法線方向（Ｚ方向）の両方に垂直な方向（Ｙ方向）になる。このため、伝搬する光の偏光方向と液晶分子の長手方向とがほぼ平行になる。この状態では、光導波層２０は、伝搬する光に対して比較的高い屈折率をもつ。この際の液晶の屈折率ｎ _∥は、一般的な液晶材料を使用した場合、概ね１．６から１．７程度である。この状態では、光導波層２０から出射する光の出射角は、比較的大きくなる。

図５３Ａおよび図５３Ｂは、光導波層２０に液晶材料を用いた構成の第４の例を示している。第４の例が第３の例と異なる点は、入射光の偏光がＰ偏光である点にある。

図５３Ａに示すように、駆動回路１１０のスイッチング素子１１２がＯＦＦ、すなわち光導波層２０に駆動電圧が印加されない状態では、伝搬する光の偏光方向と液晶分子の長手方向とが平行に近くなる。厳密には、偏光方向と液晶分子の長手方向とは、前述のとおり角度θで交差する。この状態では、光導波層２０は、伝搬する光に対して比較的高い屈折率をもつ。この際の液晶の屈折率ｎ_∥は、一般的な液晶材料を使用した場合、概ね１．６から１．７程度である。この状態では、光導波層２０から出射する光の出射角は、比較的大きくなる。

他方、図５３Ｂに示すように、駆動回路１１０のスイッチング素子１１２をＯＮ、すなわち光導波層２０に駆動電圧を印加すると、液晶分子７６が、透明電極６２に対して垂直に配向する。このため、伝搬する光の偏光方向が液晶分子の長手方向にほぼ垂直になる。この状態では、光導波層２０は、伝搬する光に対して比較的低い屈折率をもつ。この際の液晶の屈折率ｎ _⊥は、一般的な液晶材料を使用した場合、概ね１．４から１．５程度である。この状態では、光導波層２０から出射する光の出射角は、比較的小さくなる。

以上のように、光導波層２０に液晶材料を使用した例では、光の偏光方向、液晶分子７６の配向方向、および一対の電極６２の配置を適切に設定することにより、出射光の方向を制御することができる。入射光の偏光方向がＰ偏光であってもＳ偏光であっても、駆動電圧に応じて出射角度を変化させ光線の方向を制御することができる。

図５４は、光導波層２０に液晶材料を使用した構成における、光の射出角度の印加電圧依存性を示すグラフである。このグラフは、図４９Ａおよび図４９Ｂに示す構成を用いて、印加電圧を変化させながら光導波層２０から出射する光の射出角度を測定した実験の結果を示している。図５５は、本実験で用いた導波路素子の構成を示す断面図である。この導波路素子では、電極６２ｂ、多層反射膜である第２のミラー４０、液晶層である光導波層２０、多層反射膜である第１のミラー３０、および透明電極６２ａが、この順で積層されている。光導波層２０の両側には、ＳｉＯ_２の層が形成されている。

本実験では、液晶材料として、５ＣＢ（４－Ｃｙａｎｏ－４’－ｐｅｎｔｙｌｂｉｐｈｅｎｙｌ）が用いられている。０Ｖ時の液晶の配向方向は、光導波層２０が延びる方向に平行、すなわち、図５５の紙面垂直方向である。光導波層２０の厚さは１μｍ、光導波層２０の幅は２０μｍである。測定に使用した光は１．４７μｍの波長をもつＴＭ偏光（Ｐ偏光）である。電極６２ｂは、第２のミラー４０における多層反射膜と、図示されていない基板との間に成膜した。この実験では、２つの多層反射膜が電極６２ａと電極６２ｂとの間に配置されているため、比較的高い電圧を印加した。

図５４に示されているように、電圧の印加により、射出角度を約１５°変化させることができた。この実験では、図４９Ａおよび図４９Ｂに示す構成を用いているが、他の構成でも同等以上の効果を得ることができる。

＜電気光学材料を用いた構成の具体例＞
次に、光導波層２０に電気光学材料を用いた構成の具体例を説明する。

光導波層２０が電気光学材料を含む光スキャンデバイスにおいては、電気光学材料の分極軸の方向が、一対の電極６２に電圧を印加したときに発生する電場の方向に一致するように光導波層２０が構成される。そのように構成により、一対の電極６２に電圧を印加することで生じる電気光学材料の屈折率の変化を大きくすることができる。

図５６は、光導波層２０に電気光学材料７７を用いた構成の第１の例を示している。この例では、一対の電極６２は、電圧が印加されたときに一対の電極６２間に発生する電場の方向が、光導波層２０が延びる方向（Ｘ方向）および各ミラーの法線方向（Ｚ方向）の両方に垂直な方向（Ｙ方向）に一致する態様で配置されている。この例における電気光学材料の分極軸の方向は、光導波層２０が延びる方向および各ミラーの法線方向の両方に垂直なＹ方向である。駆動回路１１０は、一対の電極６２に電圧を印加することにより、電気光学材料の、光導波層２０を伝搬する光に対する屈折率を変化させる。

電気光学材料の分極軸の方向は、電場を与えたときに屈折率の変化が最大になる方向を指す。分極軸を光学軸と呼ぶこともある。図５６において、分極軸の方向は、実線両矢印で示されている。分極軸に沿った方向における屈折率ｎｅは、印加される電圧に応じて変化する。

本実施形態において使用され得る電気光学材料は、例えば、ＫＴａ_１－ｘＮｂ_ｘＯ_３、またはＫ_１－ｙＡ_ｙＴａ_１－ｘＮｂ_ｘＯ_３（Ａはアルカリ金属であり、典型的にはＬｉまたはＮａ）で表される化合物であり得る。ｘはＮｂのモル比を表し、ｙはＡのモル比を表す。ｘおよびｙは、それぞれ独立して、０よりも大きく１よりも小さい実数である。

電気光学材料は、以下の化合物のいずれかであってもよい。
・ＫＤＰ（ＫＨ_２ＰＯ_４）型結晶・・・例えば、ＫＤＰ、ＡＤＰ（ＮＨ_４Ｈ_２ＰＯ_４）、ＫＤＡ（ＫＨ_２ＡｓＯ_４）、ＲＤＡ（ＲｂＨ_２ＰＯ_４）、またはＡＤＡ（ＮＨ_４Ｈ_２ＡｓＯ_４）
・立方晶系材料・・・例えば、ＫＴＮ、ＢａＴｉＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３Ｐｂ_３ＭｇＮｂ_２Ｏ_９、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ、またはＩｎＡｓ
・正方晶系材料・・・例えば、ＬｉＮｂＯ_３またはＬｉＴａＯ_３
・せん亜鉛鉱型材料・・・例えば、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＧａＡｓ、またはＣｕＣｌ
・タングステンブロンズ型材料・・・ＫＬｉＮｂＯ_３、ＳｒＢａＮｂ_２Ｏ_６、ＫＳｒＮｂＯ、ＢａＮａＮｂＯ、Ｃａ_２Ｎｂ_２Ｏ_７

図５６に示すように、電気光学材料の分極軸を一対の電極６２に垂直な方向に揃え、一対の電極６２に印加する電圧を駆動回路１１０によって変化させることで屈折率を変化させることができる。この際、入射光をＳ偏光とすることで偏光面と電気光学材料の分極軸が平行となる。このため、電圧による屈折率変化が最も効果的に入射光に反映され、光の出射角度の変化を大きくすることができる。

図５７は、光導波層２０に電気光学材料７７を用いた構成の第２の例を示している。図５６の構成との違いは、一対の電極６２が、図示されていない第１のミラーおよび第２のミラーに平行に配置されていることである。この例では、電圧印加時に電極６２間に発生する電場の方向、すなわち各電極６２の法線方向はＺ方向であるため、電気光学材料の分極軸の方向もその方向に揃えられている。この例では、入射光をＰ偏光とすることにより、偏光面と電気光学材料の分極軸とが平行となる。このため、電圧による屈折率変化が入射光に反映され、光の出射角度の変化を大きくすることができる。

このように、光導波層２０に電気光学材料を使用し、光の偏光方向、および、電気光学材料の分極軸を電極６２と垂直方向に揃え、印加する駆動電圧を制御することで、光の出射角度を変化させ、光線の方向を制御することができる。

図５８Ａおよび図５８Ｂは、ミラー３０およびミラー４０の各々に垂直な一対の電極６２の配置の他の例を示している。図５８Ａの例では、一対の電極６２は、第２のミラー４０の近傍にのみ配置されている。図５８Ｂの例では、一対の電極６２は、第１のミラー３０の近傍にのみ配置されている。これらの例のように、一対の電極６２は、光導波層２０の一部の両側にのみ設けられていてもよい。これらの電極６２は、第２のミラー４０を支持する基板、または第１のミラー３０を支持する基板のいずれかに設けられていてもよい。図５８Ａおよび図５８Ｂのような構成は、光導波層２０の材料が液晶材料および電気光学材料のいずれの場合にも適用され得る。

以上のように、図４９Ａから図５８Ｂに示す光スキャンデバイスにおける光導波層２０は、液晶材料または電気光学材料を含む。液晶材料の配向方向または電気光学材料の分極軸の方向は、一対の電極６２に電圧が印加されていない状態において、光導波層２０が延びる方向に平行または垂直である。駆動回路１１０は、一対の電極６２に電圧を印加することにより、光導波層２０を伝搬する光に対する液晶材料または電気光学材料の屈折率を変化させることで、光導波層２０から出射される光の方向を変化させる。これにより、入射光の偏光方向を適切に設定することで、光導波層２０の屈折率の変化を大きくし、光の出射角度の変化を大きくすることができる。

なお、前述のように、２つの方向が「平行」または「一致する」とは、厳密に平行である、または一致することのみならず、両者のなす角度が１５度以下であることを含む。また、２つの方向が「垂直」とは、厳密に垂直であることを意味せず、両者のなす角度が７５度以上１０５度以下であることを含む。

＜位相シフトのための屈折率変調＞
次に、第２調整素子による複数の位相シフタ８０における位相の調整のための構成を説明する。複数の位相シフタ８０における位相の調整は、位相シフタ８０における導波路２０ａの屈折率を変化させることによって実現され得る。この屈折率の調整は、既に説明した、各導波路素子１０における光導波層２０の屈折率を調整する方法と全く同じ方法によって実現することができる。例えば、図３７Ａから図３８を参照しながら説明した屈折率変調の構成および方法をそのまま適用することができる。図３７Ａから図３８に関する説明において、導波路素子１０を位相シフタ８０と読み替え、第１調整素子６０を第２調整素子と読み替え、光導波層２０を導波路２０ａと読み替え、第１駆動回路１１０を第２駆動回路２１０と読み替える。このため、位相シフタ８０における屈折率変調についての詳細な説明は省略する。

各位相シフタ８０における導波路２０ａは、電圧の印加または温度変化に応じて屈折率が変化する材料を含む。第２調整素子は、各位相シフタ８０における導波路２０ａに電圧を印加する、または導波路２０ａの温度を変化させることにより、導波路２０ａ内の屈折率を変化させる。これにより、第２調整素子は、複数の位相シフタ８０から複数の導波路素子１０に伝搬する光の位相の差をそれぞれ変化させることができる。

各位相シフタ８０は、光が通過するまでの間に、少なくとも２πの位相シフトが可能なように構成され得る。位相シフタ８０における導波路２０ａの単位長さあたりの屈折率の変化量が小さい場合には、導波路２０ａの長さを大きくしてもよい。例えば、位相シフタ８０の大きさは、数百マイクロメートル（μｍ）から数ミリメートル（ｍｍ）、場合によってはそれ以上であってもよい。これに対し、各導波路素子１０の長さは、例えば数十μｍから数十ｍｍ程度の値であり得る。

＜同期駆動のための構成＞
本実施形態では、第１調整素子は、複数の導波路素子１０から出射される光の方向が揃うように、各導波路素子１０を駆動する。複数の導波路素子１０から出射される光の方向を揃えるために、例えば、各導波路素子１０に個別に駆動部を設け、これらの駆動部を同期駆動する。

図５９は、それぞれの導波路素子１０の電極６２から配線６４を共通に取り出す構成の例を示す図である。図６０は、一部の電極６２および配線６４を共通にした構成の例を示す図である。図６１は、複数の導波路素子１０に対して共通の電極６２を配置した構成の例を示す図である。図５９から図６１において、直線の矢印は光の入力を示している。これらの図に示すような構成にすることで、導波路アレイ１０Ａを駆動するための配線をシンプルにすることができる。

本実施形態の構成によれば、シンプルなデバイス構成で２次元的に光をスキャンすることが可能である。例えば、Ｎ本の導波路素子１０で構成された導波路アレイを同期駆動する場合、それぞれ独立の駆動回路を設けると、Ｎ個の駆動回路が必要である。しかし、上記のように電極または配線を共通にする工夫を行えば１つの駆動回路で動作させることができる。

導波路アレイ１０Ａの前段に位相シフタアレイ８０Ａを設けた場合、それぞれの位相シフタ８０を独立に動かすためには、さらにＮ個の駆動回路が必要である。しかし、図３６の例のように位相シフタ８０をカスケード状に配置することにより、１つの駆動回路でも動作させることができる。すなわち、本開示の構成では、２個ないし２Ｎ個の駆動回路で、２次元的に光をスキャンさせる動作を実現できる。また、導波路アレイ１０Ａおよび位相シフタアレイ８０Ａをそれぞれ独立して動作させてもよいため、互いの配線が干渉することなく容易に引き出すことができる。

＜製造方法＞
導波路アレイ、位相シフタアレイ８０Ａ、およびこれらをつなぐ導波路は、半導体プロセス、３Ｄプリンター、自己組織化、ナノインプリントなど、高精度の微細加工が可能なプロセスによって製造することができる。これらのプロセスにより、小さい領域に必要な要素を集積することが可能である。

特に、半導体プロセスを利用すれば、加工精度が極めて高く、量産性も高いという利点がある。半導体プロセスを利用する場合、基板上に蒸着、スパッタ、ＣＶＤ、塗布などによって様々な材料を成膜することができる。さらに、フォトリソグラフィーとエッチングプロセスにより、微細加工が可能である。基板の材料として、例えばＳｉ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＧａＮなどを用いることができる。

＜変形例＞
続いて、本実施形態の変形例を説明する。

図６２は、位相シフタアレイ８０Ａを配置する領域を大きく確保して、導波路アレイを小さく集積した構成の例を模式的に示す図である。このような構成によれば、位相シフタ８０の導波路を構成する材料において小さな屈折率変化しか生じない場合でも、十分な位相シフト量を確保することができる。また、位相シフタ８０を熱で駆動する場合、間隔を広く取れるため、隣の位相シフタ８０に与える影響を小さくすることができる。

図６３は、位相シフタアレイ８０Ａａおよび位相シフタアレイ８０Ａｂが、導波路アレイ１０Ａの両側にそれぞれ配置された構成例を示す図である。この例では、光スキャンデバイス１００は、光分岐器９０ａおよび光分岐器９０ｂ、ならびに位相シフタアレイ８０Ａａおよび位相シフタアレイ８０Ａｂを、導波路アレイ１０Ａの両側に有している。図６３において点線で示されている直線の矢印は、光分岐器９０ａおよび光分岐器９０ｂ、ならびに位相シフタ８０ａおよび位相シフタ８０ｂを伝搬する光を示している。位相シフタアレイ８０Ａａおよび光分岐器９０ａは、導波路アレイ１０Ａの一方の側に接続され、位相シフタアレイ８０Ａｂおよび光分岐器９０ｂは、導波路アレイ１０Ａの他方の側に設けられている。光スキャンデバイス１００は、さらに、光分岐器９０ａへの光の供給と光分岐器９０ｂへの光の供給を切り替える光スイッチ９２を備えている。光スイッチ９２を切り替えることにより、図６３における左側から導波路アレイ１０Ａに光を入力する状態と、図６３における右側から導波路アレイ１０Ａに光を入力する状態とを切り替えることができる。

本変形例の構成によれば、導波路アレイ１０Ａから出射される光のＸ方向についてのスキャン範囲を拡大できるという利点がある。導波路アレイ１０Ａに片側から光を入力する構成においては、各導波路素子１０の駆動によって、光の方向を、正面方向（すなわち、＋Ｚ方向）から、＋Ｘ方向または－Ｘ方向のいずれかの方向に沿ってスキャンすることができる。これに対して、本変形例では、図６３における左側の光分岐器９０ａから光を入力した場合、正面方向から＋Ｘ方向に沿って光をスキャンすることができる。一方、右側の光分岐器９０ｂから光を入力した場合、正面方向から－Ｘ方向に光をスキャンすることができる。つまり、図６３の構成では、正面から見て図６３における左右両方向に光をスキャンすることができる。このため、片側から光を入力する構成に比べて、スキャンの角度範囲を広くすることができる。光スイッチ９２は、不図示の制御回路（例えば、マイクロコントローラユニット）から電気信号で制御される。本構成例によれば、全ての素子の駆動を電気信号によって制御することができる。

以上の説明では、導波路素子１０の配列方向および導波路素子１０が延びる方向が直交している導波路アレイのみを扱ってきた。しかし、これらの方向が直交している必要はない。例えば、図６４Ａに示すような構成を用いてもよい。図６４Ａは、導波路素子１０の配列方向ｄ１および導波路素子１０が延びる方向ｄ２が直交していない導波路アレイの構成例を示している。この例において、各導波路素子１０の光出射面は、同一平面内になくてもよい。このような構成であっても、各導波路素子１０および各位相シフタを適切に制御することにより、光の出射方向ｄ３を２次元的に変化させることができる。

図６４Ｂは、導波路素子１０の配列間隔が一定でない導波路アレイの構成例を示している。このような構成を採用する場合であっても、各位相シフタによる位相シフト量を適切に設定することにより、２次元スキャンを行うことができる。図６４Ｂの構成においても、導波路アレイの配列方向ｄ１と、各導波路素子１０の延びる方向ｄ２とが直交していなくてもよい。

＜基板上に第１および第２の導波路が配置された実施形態＞
次に、基板上に第１および第２の導波路が配置された光スキャンデバイスの実施形態を説明する。

本実施形態における光スキャンデバイスは、第１の導波路と、第１の導波路に繋がる第２の導波路と、第１および第２の導波路を支持する基板とを備える。より具体的には、光スキャンデバイスは、第１の方向に配列された複数の導波路ユニットと、これらの複数の導波路ユニットを支持する基板とを備える。複数の導波路ユニットの各々は、第１の導波路と、第２の導波路とを備える。第２の導波路は、第１の導波路に繋がり、第１の方向に交差する第２の方向に光を伝搬させる。基板は、各導波路ユニットにおける第１の導波路および第２の導波路を支持する。

第２の導波路は、前述の実施形態における反射型導波路に相当する。すなわち、第２の導波路は、多層反射膜を有する第１のミラーと、第１のミラーの前記多層反射膜に対向する多層反射膜を有する第２のミラーと、第１のミラーと第２のミラーの間に位置し、前記第１の導波路に入力され第１の導波路を伝搬した光を伝搬させる光導波層と、を有する。第１のミラーは、第２のミラーよりも高い光透過率を有し、光導波層内を伝搬する光の一部を、光導波層の外部に出射する。光スキャンデバイスは、第２の導波路における光導波層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、第２の導波路から出射される光の方向を変化させる調整素子をさらに備える。

本実施形態によれば、１つの基板の上に第１および第２の導波路を配置することにより、第１の導波路１および第２の導波路１０の位置合わせが容易になる。さらに、熱膨張による第１および第２の導波路の位置のずれが抑制される。その結果、第１の導波路から第２の導波路へ効率よく光を導入することができる。

光導波層は、例えば電圧が印加された場合に、光導波層を伝搬する光に対する屈折率が変化する材料を含み得る。その場合、調整素子は、光導波層に電圧を印加することにより、光導波層の屈折率を変化させる。これにより、調整素子は、第２の導波路から出射される光の方向を変化させる。

第１の導波路の少なくとも一部は、前述の位相シフタとしての機能を有していてもよい。その場合、第１の導波路には、例えば屈折率を変調させる機構が組み込まれる。光スキャンデバイスは、第１の導波路の少なくとも一部の領域の屈折率を変調させる第２調整素子を備えていてもよい。第２調整素子は、例えば、第１の導波路の近傍に配置されたヒーターであり得る。ヒーターから発する熱によって第１の導波路の少なくとも一部の領域の屈折率を変化させることができる。これにより、第１の導波路から第２の導波路に入力される光の位相が調整される。第１の導波路から第２の導波路に入力される光の位相を調整するための構成は、前述のとおり多様である。それらのいずれの構成を採用してもよい。

位相シフタは、第１の導波路の外部に設けられていてもよい。その場合、第１の導波路は、外部の位相シフタと、導波路素子（第２の導波路）との間に位置する。位相シフタと、第１の導波路との間には明確な境界がなくてもよい。例えば、位相シフタと、第１の導波路とが、導波路および基板等の構成要素を共用していてもよい。

第１の導波路は、光の全反射を利用する一般的な導波路であってもよいし、反射型導波路であってもよい。位相が変調された光は、第１の導波路を経て、第２の導波路に導入される。

以下、基板上に第１および第２の導波路が配置された光スキャンデバイスの実施形態をより詳細に説明する。以下の説明においては、光スキャンデバイスが複数の導波路ユニットを備えているものとする。光スキャンデバイスは、単一の導波路ユニットを備えていてもよい。すなわち、第１の導波路および第２の導波路の組み合わせを１つだけ備える光スキャンデバイスも、本開示の範囲に含まれる。

図６５Ａは、本実施形態における光スキャンデバイスを模式的に示す図である。この光スキャンデバイスは、Ｙ方向に配列された複数の導波路ユニットと、複数の導波路ユニットを支持する基板５０とを備えている。各導波路ユニットは、第１の導波路１と、第２の導波路１０とを備えている。基板５０は、各導波路ユニットにおける第１の導波路１および第２の導波路１０を支持している。

基板５０は、ＸＹ平面に沿って拡がっている。基板５０の上面および下面は、ＸＹ平面に略平行に配置されている。基板５０は、例えば、ガラス、Ｓｉ、ＳｉＯ_２、ＧａＡｓ、ＧａＮなどの材料を用いて構成され得る。

第１の導波路アレイ１Ａは、Ｙ方向に配列された複数の第１の導波路１を含む。第１の導波路１の各々は、Ｘ方向に延びた構造を有する。第２の導波路アレイ１０Ａは、Ｙ方向に配列された複数の第２の導波路１０を含む。第２の導波路１０の各々は、Ｘ方向に延びた構造を有する。

図６５Ｂは、図６５Ａにおける一方の破線で示されたＸＺ平面における光スキャンデバイスの断面図である。基板５０の上に、第１の導波路１および第２の導波路１０が配置されている。第２のミラー４０は、光導波層２０と基板５０との間、および第１の導波路１と基板５０との間の領域に拡がっている。第１の導波路１は、例えば、光の全反射を利用する一般的な導波路である。当該導波路１は、例えば、ＳｉまたはＧａＡｓなどの半導体の導波路を含む。第２の導波路１０は、光導波層２０と、第１のミラー３０および第２のミラー４０とを有する。光導波層２０は、対向する第１のミラー３０と第２のミラー４０の間に位置する。光導波層２０は、第１の導波路に入力され第１の導波路１を伝搬した光を伝搬させる。

本実施形態における光導波層２０は、電圧が印加された場合に、光導波層２０を伝搬する光に対する屈折率が変化する材料を含んでいる。調整素子は、一対の電極を有する。一対の電極は、下部電極６２ａと上部電極６２ｂとを含む。下部電極６２ａは、光導波層２０と第２のミラー４０との間に配置されている。上部電極６２ｂは、光導波層２０と第１のミラー３０との間に配置されている。本実施形態における調整素子は、一対の電極６２ａおよび電極６２ｂ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。これにより、調整素子は、第２の導波路１０から出射される光の方向を変化させる。一対の電極６２ａおよび電極６２ｂの各々は、図示されるように光導波層２０に接触していてもよいし、接触していなくてもよい。

図６５Ｂの構成例では、積層された基板５０および第２のミラー４０を有する共通の支持体の上に、他の構造物が配置される。すなわち、一体に形成された一つの支持体の上に、第１の導波路１と、第１の電極６２ａ、光導波層２０、第２の電極６２ｂ、および第１のミラー３０の積層体とが作製される。共通の支持体を用いているため、第１の導波路１および光導波層２０の作製時の位置合わせが容易になる。さらに、熱膨張による第１の導波路１および光導波層２０の接続部分の位置のずれが抑制される。支持体は、例えば、支持基板である。

図６５Ｃは、図６５Ａにおける他方の破線で示されたＹＺ平面における光スキャンデバイスの断面図である。この例では、第２のミラー４０は、複数の第２の導波路１０によって共用されている。すなわち、複数の第２の導波路１０における第２のミラー４０は互いに分離されていない。同様に、下部電極６２ａも、複数の第２の導波路１０によって共用されている。これにより、製造プロセスが簡素化される。

一方、複数の第２の導波路１０における光導波層２０、上部電極６２ｂ、および第１のミラー３０は、互いに分離して配置されている。これにより、各光導波層２０は、光をＸ方向に伝搬させることができる。上部電極６２ｂおよび第１のミラー３０は、分離していなくてもよい。

以下に、本実施形態における光スキャンデバイスの変形例を説明する。以下の変形例において、重複する構成要素の説明は、省略されている。

図６６Ａは、第２のミラー４０と導波路１との間に誘電体層５１が配置された構成例を示す図である。この例における光スキャンデバイスは、第２のミラー４０と第１の導波路１との間に拡がる誘電体層５１をさらに備えている。この誘電体層５１は、第１の導波路１と光導波層２０との高さのレベルを合わせる調整層として機能する。以下、誘電体層５１を調整層５１と称する。Ｚ方向における調整層５１の厚さを調整することにより、第１の導波路１から光導波層２０への光の結合効率を高めることができる。さらに、調整層５１は、第１の導波路１における導波光が第２のミラー４０によって吸収、散乱または反射されることを防ぐスペーサの役割を果たす。第１の導波路１は、全反射により光を伝搬させる。そのため、調整層５１は、第１の導波路１の屈折率よりも低い屈折率を有する透明材料によって構成される。例えば、調整層５１は、ＳｉＯ_２などの誘電体材料で形成され得る。

第１の導波路１の上に、他の誘電体層を保護層としてさらに配置してもよい。

図６６Ｂは、第１の導波路１の上に第２の誘電体層６１がさらに配置された構成例を示す図である。このように、光スキャンデバイスは、第１の導波路１の少なくとも一部を覆う第２の誘電体層６１をさらに備えていてもよい。第２の誘電体層６１は、第１の導波路１に接し、第１の導波路１の屈折率よりも低い屈折率を有する透明材料によって構成されている。第２の誘電体層６１は、第１の導波路１の上にパーティクルまたはごみが付着することを防ぐ保護層として機能する。これにより、第１の導波路１における導波光のロスを抑制することができる。以下、第２の誘電体層６１を保護層６１と称する。

図６６Ｂに示す第１の導波路１は、位相シフタとして機能する。光スキャンデバイスは、第１の導波路１の屈折率を変調させることによって光導波層２０に導入される光の位相を変化させる第２調整素子をさらに備える。第１の導波路１が熱光学材料を含む場合、第２調整素子は、ヒーター６８を含む。第２調整素子は、ヒーター６８から発する熱によって第１の導波路１の屈折率を変調させる。

ヒーター６８に含まれる金属などの配線材料は、光を吸収、散乱または反射し得る。保護層６１は、第１の導波路１とヒーター６８とを遠ざけることによって、第１の導波路１における導波光のロスを抑制する。

保護層６１は、調整層５１と同じ材料（例えばＳｉＯ_２）で形成されてもよい。保護層６１は、第１の導波路１だけでなく、第２の導波路１０の少なくとも一部を覆っていてもよい。その場合、第１のミラー３０の少なくとも一部が保護層６１で覆われる。保護層６１は、第２の導波路１０のみを覆っていてもよい。保護層６１が透明材料であれば、第２の導波路１０から出射される光は、保護層６１を透過する。このため、光の損失を小さく抑えることができる。

図６７は、第２のミラー４０が第１の導波路１と基板５０との間の領域に配置されていない構成例を示す図である。この例における調整層５１は、第１の導波路１と基板５０との間に拡がっている。調整層５１は、第１の導波路１および基板５０に接している。第２のミラー４０が第１の導波路１の下にないため、第１の導波路１における導波光は、第２のミラー４０の影響を受けない。

図６８は、図６６Ｂの構成例と比較して、第２のミラー４０が第１の導波路１と基板５０との間において薄くなっている構成例を示す図である。この例のように、第２のミラー４０は、第１の導波路１と基板５０との間において、第２の導波路１０と基板５０との間における第２のミラー４０の厚さよりも薄い箇所を有していてもよい。第１の導波路１と第２のミラー４０との間には、調整層５１が配置されている。このような構造により、第１の導波路１における導波光は、第２のミラー４０の影響を受けにくくなる。図６８の例では、図６７の例と比較して、第１の導波路１と光導波層２０との接続箇所において第２のミラー４０によって生じる段差が小さい。したがって、加工がより容易である。

第２のミラー４０の厚さは、導波路１に沿って変化していてもよい。以下、そのような例を説明する。

図６９Ａは、第２のミラー４０の厚さが段階的に変化する構成例を示す図である。第１の導波路１と基板５０との間において、第２のミラー４０の厚さは、第１の導波路１に沿って変化している。

図６９Ａの例では、第１の導波路１の左の部分の下には、第２のミラー４０が存在しない。第１の導波路１の左の部分は、光導波層２０よりも低い位置にある。一方、第１の導波路１の右の部分、すなわち光導波層２０に接続される部分の下には、第２のミラー４０が存在する。第１の導波路１の右の部分は、光導波層２０と同程度の高さに位置する。保護層６１の厚さを調整することにより、保護層６１の上面を平らにすることができる。

図６９Ａの構成例では、保護層６１の上に配置されたヒーター６８は、第１の導波路１から十分に離れている。したがって、第１の導波路１における導波光は、ヒーター６８の配線による影響を受けにくい。このため、第１の導波路１における導波光のロスは抑制される。

図６９Ｂは、上部電極６２ｂ、第１のミラー３０、および第２の基板５０Ｃが、第１の導波路１における保護層６１と、第２の導波路１０における光導波層２０との上に跨って配置されている構成例を示す図である。図６９Ｃは、図６９Ｂの構成例の製造過程の一部を示す図である。

図６９Ｂの例において、上部電極６２ｂ、第１のミラー３０、および第２の基板５０Ｃを含む構造体（以下、「上部構造体」と称する。）と、上部電極６２ｂよりも下の構造体（以下、「下部構造体」と称する。）とは、別々に製造される。

下部構造体の製造については、まず、第１の基板５０の上に、傾斜を有する第２のミラー４０が形成される。第２のミラー４０における傾斜を含む部分に、調整層５１、導波路１の層、および保護層６１がこの順に形成される。第２のミラー４０における平らな部分に、下部電極６２ａおよび光導波層２０が形成される。

上部構造体は、第２の基板５０Ｃの上に、第１のミラー３０および上部電極６２ｂをこの順で積層することによって作製される。上部構造体は、図６９Ｃに示すように、上下を反転させ、下部構造体の上に貼り付けられる。以上の製造方法によれば、第１の導波路１および第２の導波路１０の精密な位置合わせを不要にできる。

保護層６１の上面、すなわち、第１の導波路１に接する表面とは反対側の表面は、第２の導波路１０における光導波層２０の上面よりも低い。第１の導波路１におけるヒーター６８の上面は、第２の導波路１０における光導波層２０の上面と、ほぼ同じ高さである。この場合、上部構造体と下部構造体とを、段差なく貼り合わせることができる。上部構造体は、蒸着またはスパッタリングなどの方法によって形成してもよい。

図７０は、図６９Ｂに示す構造を有する光スキャンデバイスにおける複数の第２の導波路１０のＹＺ面断面を示す図である。この例では、第１のミラー３０および第２のミラー４０、ならびに電極６２ａおよび電極６２ｂは、複数の第２の導波路１０によって共用されている。共通の電極６２ａおよび電極６２ｂの間に、複数の光導波層２０が配置されている。複数の光導波層２０の間の領域は、スペーサ７３である。スペーサ７３は、例えば、空気（または、真空）、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＮまたはＡｌＮなどの透明材料である。スペーサ７３が固体材料であれば、上部構造体を蒸着またはスパッタリングなどの方法によって形成することができる。スペーサ７３は、隣接する光導波層２０の両方に直接接触していてもよい。

第１の導波路１は、光の全反射を利用する一般的な導波路である必要はない。例えば、第１の導波路１は、第２の導波路１０と同様の反射型導波路であってもよい。

図７１は、第１の導波路１および第２の導波路１０が、反射型導波路である構成例を示す図である。第１の導波路１は、対向する多層反射膜３および多層反射膜４０に挟まれている。第１の導波路１は、第２の導波路１０と同じ原理で、光を伝搬させる。多層反射膜３の厚さが十分に大きければ、第１の導波路１から光は出射しない。

図７１の構成例では、図２０および図２１などを参照して説明したように、２つの反射型導波路の接続条件を最適化することで、光の結合効率を高くすることができる。そのような最適化により、第１の導波路１から第２の導波路１０へ効率よく光を導入することができる。

次に、一対の電極６２ａおよび電極６２ｂの配置の変形例を説明する。図６５Ａから図７１の例では、一対の電極６２ａおよび電極６２ｂは、第２の導波路１０における光導波層２０に接触している。図６５Ｃおよび図７０の例では、電極６２ａおよび電極６２ｂの一方または両方が、複数の第２の導波路１０によって共用されている。電極６２ａおよび電極６２ｂの構成は、このような構成に限定されない。

図７２は、上部電極６２ｂが第１のミラー３０の上に配置されており、下部電極６２ａが第２のミラー４０の下に配置されている構成例を示す図である。第１のミラー３０は、上部電極６２ｂと光導波層２０との間に配置されている。第２のミラー４０は、下部電極６２ａと光導波層２０との間に配置されている。この例のように、一対の電極６２ａおよび電極６２ｂは、光導波層２０を、第１のミラー３０および第２のミラー４０を介して、間接的に挟んでいてもよい。

図７２の例において、下部電極６２ａは、第１の導波路１の側にまで延びている。下部電極６２ａから配線を取り出すときに、第１の導波路１の下のスペースを用いることができる。よって配線の設計の自由度が増す。

この例では、一対の電極６２ａおよび電極６２ｂは、光導波層２０に接触していない。光導波層２０における導波光は、一対の電極６２ａおよび電極６２ｂによる吸収、散乱または反射などの影響を受けにくい。このため、光導波層２０における導波光のロスが抑制される。

図７３は、さらに他の変形例を示す断面図である。この例では、第１の導波路１は、第１の部分１ａと第２の部分１ｂとに分離されている。第１の部分１ａは、相対的に低い位置にあり、第２の導波路１０から離れている。第２の部分１ｂは、相対的に高い位置にあり、第２の導波路１０の光導波層２０に繋がっている。第１の部分１ａおよび第２の部分１ｂは、＋Ｚ方向から見たときに重なる部分を有する。第１の部分１ａおよび第２の部分１ｂは、Ｘ方向に略平行に延びている。この例では、調整層５１も、部分５１ａおよび部分５１ｂに分離されている。調整層の第１の部分５１ａは、第１の導波路の第１の部分１ａと下部電極６２ａとの間に配置されている。調整層の第２の部分５１ｂは、第１の導波路の第２の部分１ｂと第２のミラー４０との間に配置されている。保護層６１は、第１の導波路の第１の部分１ａおよび第２の部分１ｂの上に配置されている。第１の導波路の第１の部分１ａの一部と、第１の導波路の第２の部分１ｂの一部とが、保護層６１を介して対向している。電極６２ａおよび電極６２ｂの配置は、図７２における配置と同様である。

図７３に示す構成では、第１の導波路の第１の部分１ａおよび第２の部分１ｂの間隔、すなわちＺ方向における距離は、導波路内での光の波長以下である。この場合、エバネッセント結合により、第１の部分１ａから第２の部分１ｂへ光を伝搬させることができる。この例では、図６９Ａの例とは異なり、第２のミラー４０の厚さを第１の導波路の第１の部分１ａおよび第２の部分１ｂに沿って変化させる必要はない。

図７４は、電極６２が、隣り合う２つの光導波層２０の間に配置されている構成例を示す図である。この例における調整素子は、複数の電極６２を有し、これらの電極６２に正負（図中では＋および－で表示）の電圧を交互に印加する。これにより、各光導波層２０の内部に、図７４における左右方向の電場を発生させることができる。

図７４の例では、Ｙ方向において隣り合う２つの電極６２は、その間の光導波層２０の少なくとも一部に接触している。光導波層２０と電極６２との接触領域の面積は小さい。したがって、電極６２が光を吸収、散乱または反射する材料であっても、光導波層２０における導波光のロスを抑制することができる。

図６５Ａから図７４の構成例では、スキャンに用いられる光は、第１のミラー３０を通して出射される。スキャンに用いられる光は、第２のミラー４０を通して出射されてもよい。

図７５は、第１のミラー３０が厚く、第２のミラー４０が薄い構成の例を示す図である。図７５の例では、光は第２のミラー４０を透過して基板５０の側から出射される。この例における基板５０は、透光性を有する材料によって構成される。基板５０から出射される光をスキャンに用いることにより、光スキャンデバイスの設計の自由度が増す。

＜ミラーの幅に関する検討＞
図７６は、本実施形態おける、複数の導波路素子１０をＹ方向に配列した導波路アレイ１０Ａの構成例を模式的に示す、ＹＺ平面における光スキャンデバイスの断面図である。図７６の構成例では、Ｙ方向において、第１のミラー３０の幅は、光導波層２０の幅よりも長い。第２のミラー４０は、複数の導波路素子１０によって共用されている。言い換えれば、各導波路素子１０における第２のミラー４０は、１つの繋がったミラーの一部である。第１のミラー３０、光導波層２０の端面からＹ方向に突出する部分を有する。Ｙ方向における当該突出する部分の寸法を、ｙ_１とする。Ｙ方向における、光導波層２０の端面からの距離を、ｙとする。ｙ＝０は、光導波層２０の端面に相当する。

導波光が光導波層２０内をＸ方向に伝搬するとき、Ｙ方向において、光導波層２０からエバネッセント光が染み出す。Ｙ方向における当該エバネッセント光の光強度Ｉは、以下の式で表される。

ただし、光導波層２０からのエバネッセント光の光強度が、光導波層２０の端面における光導波層２０からのエバネッセント光の光強度の１／ｅになる位置の、光導波層２０の端面からのＹ方向における距離を、ｙ_ｄとするとき、ｙ_ｄは以下の式を満たす。

Ｉ_０は、ｙ＝０における、当該エバネッセント光の光強度である。全反射角θ_ｉｎは、図２８に示されている。ｙ＝ｙ_ｄにおいて、当該エバネッセント光の光強度Ｉは、Ｉ_０の１／ｅになる。ｅは、自然対数の底である。

簡単のため、図２８に示すように、光導波層２０内における導波光を、光線として近似する。図７６の構成例に示すように、第１のミラー３０がｙ＞ｙ_１において存在しない場合、ｙ＝０における導波光の１回の反射による光の漏れまたは光ロス（Ｌ_ｌｏｓｓ）は、以下の式で表される。

式（４）に示すように、導波路素子１０からの出射光の広がり角θ_ｄｉｖを、０．１°以下にするためには、導波路素子１０のＸ方向における伝搬長Ｌは、１ｍｍ以上であることが望ましい。このとき、Ｙ方向における光導波層２０の幅をａとすると、図２８において、±Ｙ方向における全反射の回数は、１０００／（ａ・ｔａｎθ_ｉｎ）以上である。ａ＝１μｍおよびθ_ｉｎ＝４５°においては、全反射の回数は１０００回以上である。１回の反射における光ロスを表す式（２１）を用いると、β回の反射における光ロスは、以下の式で表される。

図７７は、β＝１０００の場合における、光ロス（Ｌ^（β） _ｌｏｓｓ）の割合およびｙ_１の関係を示す図である。縦軸は、光ロスの割合であり、横軸はｙ_１である。図７７に示すように、光ロスの割合を５０％以下にするために、例えば、ｙ_１≧７ｙ_ｄが満たされる。同様に、光ロスの割合を１０％以下にするため、例えば、ｙ_１≧９ｙ_ｄが満たされる。光ロスの割合を１％以下にするために、例えば、ｙ_１≧１１ｙ_ｄが満たされる。

式（２１）に示すように、原理的には、ｙ_１を大きくすることで、光ロスを低減することができる。しかし、光ロスは、ゼロではない。

図７８は、本実施形態おける、導波路素子１０をＹ方向に配列した導波路アレイ１０Ａの別の構成例を模式的に示す、ＹＺ平面における光スキャンデバイスの断面図である。図７８の構成例では、第１のミラー３０および第２のミラー４０は、複数の導波路素子１０によって共用されている。言い換えれば、各導波路素子１０における第１のミラー３０は、１つの繋がったミラーの一部であり、各導波路素子１０における第２のミラー４０は、１つの繋がった他のミラーの一部である。これにより、原理的に光ロスを最小化することができる。

次に、図２７Ｂおよび図７８の構成例における光導波層２０からのエバネッセント光の漏れ出しを、数値計算を用いて比較する。

図７９Ａは、図２７Ｂの構成例における、電場強度分布の計算結果を示す図である。図７９Ｂは、図７８の構成例における、電場強度分布の計算結果を示す図である。数値計算には、Ｓｙｎｏｐｓｙｓ社のＦｅｍＳｉｍを用いた。図７９Ａおよび図７９Ｂにおいて、Ｙ方向における光導波層２０の幅は、１．５μｍであり、Ｚ方向における光導波層２０の厚さは、１μｍであり、光の波長は、１．５５μｍであり、ｎ_ｗ＝１．６８およびｎ_ｌｏｗ＝１．４４である。ｎ_ｗおよびｎ_ｌｏｗのこの組み合わせは、例えば、光導波層２０に含まれる液晶材料を、ＳｉＯ_２のスペーサ７３によって閉じ込める場合に相当する。

図７９Ａに示すように、図２７Ｂの構成例では、第１のミラー３０が存在しない領域から、エバネッセント光が漏れ出ることがわかる。一方、図７９Ｂに示すように、図７８の構成例では、そのようなエバネッセント光の漏れ出しは無視することができる。図７９Ａおよび図７９Ｂにおいて、導波光がＸ方向に伝搬する際、第１のミラー３０からの光出射およびエバネッセント光の漏れ出しにより、導波光の光強度は減少する。当該導波光の光強度が１／ｅになる、Ｘ方向における光の伝搬長を計算すると、当該光の伝搬長は、図７９Ａおよび図７９Ｂにおいて、それぞれ７．８μｍおよび１３２μｍである。

本実施形態において、スペーサ７３は、２つ以上の異なる媒質で構成されてもよい。

図８０は、本実施形態において、スペーサ７３が、異なる屈折率を有するスペーサ７３ａ、７３ｂを含む構成例を模式的に示す、ＹＺ平面における光スキャンデバイスの断面図である。図８０の構成例において、光導波層２０に隣接するスペーサ７３ａの屈折率ｎ_ｌｏｗ１は、光導波層２０に隣接しないスペーサ７３ｂの屈折率ｎ_ｌｏｗ２よりも高い（ｎ_ｌｏｗ１＞ｎ_ｌｏｗ２）。例えば、光導波層２０が液晶材料を含む場合、液晶材料を閉じ込めるために、スペーサ７３ａとして、ＳｉＯ２を用いてもよい。スペーサ７３ｂは、空気であってもよい。スペーサ７３ｂの屈折率ｎ_ｌｏｗ２が低ければ、光導波層２０からのエバネッセント光の染み出しを抑制することができる。

図８１は、本実施形態の変形例における、導波路素子１０の構成例を模式的に示す、ＹＺ平面における光スキャンデバイスの断面図である。図８１の構成例では、光導波層２０は、ＹＺ平面において台形の断面を有する。第１のミラー３０は、光導波層２０の、上辺の上だけでなく、左右の辺の上にも配置される。これにより、光導波層２０の左右の辺からの光の漏れを抑制することができる。

次に、光導波層２０およびスペーサ７３の材料を説明する。

図７６、図７８および図８０の構成例において、光導波層２０の屈折率ｎ_ｗとスペーサ７３の屈折率ｎ_ｌｏｗとは、ｎ_ｗ＞ｎ_ｌｏｗの関係を満たす。すなわち、スペーサ７３は、光導波層２０よりも屈折率が低い材料を含む。例えば、光導波層２０が電気光学材料を含む場合、スペーサ７３は、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＮ、ＡｌＮまたは空気などの透明材料を含んでもよい。光導波層２０が液晶材料を含む場合、スペーサ７３は、ＳｉＯ_２または空気などを含んでもよい。光導波層２０を一対の電極で挟み、電圧を印加することにより、電気光学材料または液晶材料を含む光導波層２０の屈折率を変化させることができる。これにより、第１のミラー３０から出射される光の出射角度を変化させることができる。光導波層２０が液晶材料または電気光学材料を含む場合における、光スキャンデバイスの詳細な駆動方法などは、前述の通りである。

図７８および図８０の構成例を、第１のミラー３０と、それ以外の構成とを貼り合わせることによって形成してもよい。これにより、製造が容易になる。また、スペーサ７３が固体材料であれば、第１のミラー３０を蒸着またはスパッタリングなどの方法によって形成してもよい。

図７６、図７８および図８０の構成例において、第２のミラー４０が複数の導波路素子１０によって共用されていることを前提に、第１のミラー３０の構成を説明した。当然、上記の議論は、第２のミラー４０にも適用できる。すなわち、Ｙ方向において、第１のミラー３０および第２のミラー４０の少なくとも一方の幅が、光導波層２０の幅よりも長ければ、光導波層２０からのエバネッセント光の漏れ出しを抑制することができる。その結果、光スキャンに用いられる光量の低下は抑制される。

＜光導波層およびスペーサに関する検討＞
次に、第１のミラー３０と第２のミラー４０の間における、光導波層２０（以下、「光導波領域２０」とも称する。）およびスペーサ７３（以下、「非導波領域７３」とも称する。）の構成が導波モードに与える影響を詳しく説明する。以下の説明において、「幅」とはＹ方向の寸法を意味し、「厚さ」とはＺ方向の寸法を意味する。

図７８に示す構成例を導波モードの計算モデルとする。計算に用いたパラメータは以下の通りである。第１のミラー３０は、屈折率が２．１の材料と、屈折率が１．４５の材料とを交互に１２ペア積層した多層反射膜であり、第２のミラー４０は、同じ２つの材料を１７ペア積層した多層反射膜である。光導波領域２０の厚さはｈ＝０．６５μｍであり、光導波領域２０の屈折率は１．６である。非導波領域７３の厚さはｈ＝０．６５μｍであり、非導波領域７３の屈折率は１．４５である。光の波長はλ＝９４０ｎｍである。

非導波領域７３の幅を光導波領域２０の幅よりも十分大きくし、光導波領域２０の幅を変えたときの導波モードの電界分布を計算した。これにより、図７９Ａおよび図７９Ｂに示すようなＹ方向およびＺ方向に依存する電界分布が得られる。Ｙ方向およびＺ方向に依存する電界分布をＺ方向に積分することによって、Ｙ方向における電界分布が得られる。Ｙ方向における電界分布の分散σを計算するために、ガウス関数を用いたフィッティングを行った。ガウス関数では、－３σ≦Ｙ≦３σの範囲に９９．７３％の成分が存在する。そこで、６σがＹ方向における電界分布の広がりに相当するとして、分析を行った。以下、「電界の広がり」とは、Ｙ方向における６σの電界の広がりを意味する。

図８２は、光導波領域２０の幅と電界の広がりとの関係を示す図である。図８２に示すように、光導波領域２０の幅がｗ＝３μｍ以上では、導波モードの電界の広がりは光導波領域２０の幅より小さい。光導波領域２０の幅がｗ＝３μｍ以下では、導波モードの電界の広がりは光導波領域２０の幅より大きく、非導波領域７３に染み出す。

次に、非導波領域７３が複数の部材を含む構成例を説明する。

図８３は、本実施形態における、光導波領域２０および非導波領域７３の構成例を模式的に示す光スキャンデバイスの断面図である。

本実施形態における光スキャンデバイスは、第１のミラー３０と、第２のミラー４０と、２つの非導波領域７３と、光導波領域２０とを備える。

第１のミラー３０は、光透過性を有し、第２のミラー４０は、第１のミラー３０に対向する。

２つの非導波領域７３は、第１のミラー３０と第２のミラー４０との間において、Ｙ方向に間隙を空けて並ぶ。Ｙ方向は、第１のミラー３０および第２のミラー４０の少なくとも一方の反射面に平行である。

光導波領域２０は、第１のミラー３０と第２のミラー４０との間で、且つ、２つの非導波領域７３の間に位置する。光導波領域２０は、非導波領域７３の平均屈折率よりも高い平均屈折率を有する。光導波領域２０は、Ｘ方向に沿って光を伝搬させる。Ｘ方向は、第１のミラー３０および第２のミラー４０の少なくとも一方の反射面に平行で、且つ、Ｙ方向に垂直である。

光導波領域２０および２つの非導波領域７３の各々は、共通の材料４５によって構成される領域を含む。光導波領域２０または２つの非導波領域７３の各々は、共通の材料４５とは異なる屈折率を有する１つ以上の部材４６をさらに含む。図示されるように、当該１つ以上の部材４６は、第１のミラー３０および第２のミラー４０の少なくとも一方に接していてもよい。

第１のミラー３０は、第２のミラー４０よりも高い光透過率を有する。第１のミラー３０は、光導波領域２０内を伝搬する光の一部を、光導波領域２０から、ＸＹ平面に交差す方向に出射する。ＸＹ平面は、Ｘ方向およびＹ方向によって形成される平面である。外部の調整素子は、光導波領域２０の屈折率および／または厚さを変化させる。これにより、光導波領域２０から出射される光の方向が変化する。より具体的には、調整素子により、出射される光の波数ベクトルのＸ成分が変化する。

図８３に示す例では、光導波領域２０および２つの非導波領域７３の各々は、共通の材料４５を含み、２つの非導波領域７３の各々は、部材４６を含む。部材４６は第２のミラー４０に接する。部材４６の屈折率ｎ_１が共通の材料４５の屈折率ｎ_２よりも低いとき、光導波領域２０の平均屈折率は、非導波領域７３の平均屈折率よりも高い。これにより、光は、光導波領域２０を伝搬することができる。共通の材料４５および部材４６の各々は、例えば、ＳｉＯ、ＴａＯ、ＴｉＯ、ＡｌＯ、ＳｉＮ、ＡｌＮ、およびＺｎＯからなる群から選択される一種類の材料であり得る。Ｚ方向において、部材４６の寸法が、第１のミラー３０と第２のミラー４０の間の距離（以下、「ミラー間距離」と称する。）のｒ倍（０≦ｒ≦１）であるとき、非導波領域７３の平均屈折率は、ｎ_ａｖｅ＝ｎ_１×ｒ＋ｎ_２×（１－ｒ）である。以下、「部材の寸法」とは、Ｚ方向における部材の寸法を意味する。

図８３に示す例において、導波モードをさらに詳しく分析した。第１のミラー３０および第２のミラー４０の構成は、図８２に示す計算に用いた構成と同じである。計算に用いた屈折率は、ｎ_１＝１．４５およびｎ_２＝１．６である。光導波領域２０の幅はｗ＝６μｍである。光導波領域２０の幅は、２つの離れた非導波領域７３の距離でもある。光導波領域２０の厚さは、ｈ＝０．６５μｍまたは２．１５μｍである。０．６５μｍおよび２．１５μｍの厚さは、それぞれ式（９）における２次（ｍ＝２）および７次（ｍ＝７）のモードに対応する。非導波領域７３の厚さは、光導波領域２０の厚さと同じである。ミラー間距離に対する部材４６の寸法の比ｒによって導波モードの電界の広がりがどのように変化するか調べた結果を以下に示す。

図８４Ａは、ｒ＝０．１およびｈ＝２．１５μｍでの導波モードの電界分布の計算結果を示す図である。図８４Ｂは、ｒ＝０．５およびｈ＝２．１５μｍでの導波モードの電界分布の計算結果を示す図である。いずれにおいても、図７９Ｂに示す導波モードと同様の導波モードが存在することが確認できる。図８４Ａに示すｒ＝０．１のときの方が、図８４Ｂに示すｒ＝０．５のときよりも、電界分布がＹ方向により広がることがわかる。

図８５は、光導波領域２０の幅がｗ＝６．０μｍでの、ミラー間距離に対する部材４６の寸法の比ｒと電界の広がりとの関係を示す図である。光導波領域２０の厚さは、ｈ＝０．６５μｍ（ｍ＝２、図中の実線）またはｈ＝２．１５μｍ（ｍ＝７、図中の点線）である。図８５に示すように、ｒを小さくする、すなわち、部材４６の寸法を小さくするほど、電界の広がりが大きくなることがわかる。２次および７次の導波モードにおいて、電界の広がりはほとんど同じ振舞いを示す。特に、ｒ≦０．２では、電界の広がりが急激に大きくなり、光導波領域２０の幅（ｗ＝６．０μｍ）を超えることがわかる。

図８６は、図８５に示す例における、ミラー間距離に対する部材４６の寸法の比ｒと導波モードの消衰係数との関係を示す図である。図８６に示すように、ｒを変化させても、消衰係数のオーダー（１０^－５）はほとんど同じである。すなわち、消衰係数はｒにほとんど依存しない。しかし、電界が非導波領域７３まで広がると、様々な要因で散乱または吸収が増大し得る。例えば、非導波領域７３の端が平滑でないとき、非導波領域７３にパーティクルが存在するとき、または、非導波領域７３自体が光吸収するときには、光導波領域２０を伝搬する光に損失が生じる。したがって、電界の広がりが非導波領域７３に染み出さない条件であるｒ≧０．２が望ましい。

次に、光導波領域２０の幅、すなわち、２つの離れた非導波領域７３の距離がｗ＝３μｍである構成例を分析した。これは、ｒ＝１である図８２に示すように、電界の広がりがちょうど光導波領域２０の幅と同程度である条件である。

図８７は、光導波領域２０の幅がｗ＝３．０μｍでの、ミラー間距離に対する部材４６の寸法の比ｒと電界の広がりとの関係を示す図である。図８５に示す例と同様に、ｒ≦０．２では、電界の広がりが急激に大きくなることがわかる。ｒ＜０．１では、電界の広がりは６μｍを超える。

たとえ導波モードの電界が過度に広がっても、単体の光導波領域２０を用いて光スキャンデバイスを構成するときには問題ない。しかし、光導波領域２０をアレイ化した光スキャンデバイスでは、導波モードの電界の過度な広がりは避けた方がよい。当該光スキャンデバイスにおいて、２つの光導波領域２０に挟まれた非導波領域７３の幅が３μｍ以下の場合、光導波領域２０の導波モードの電界は、隣の光導波領域２０の導波モードの電界と非導波領域７３において重なり合う。その結果、光導波領域２０を伝搬する光の少なくとも一部が、隣の光導波領域２０に伝わるというクロストーク現象が生じ得る。クロストーク現象は、複数の光導波領域２０から出射される光の干渉効果に影響を及ぼすおそれがある。

上記の理由から、本実施形態においては、例えばｒ≧０．１に設定される。さらに、ｒ≧０．２であれば、ほとんどの電界が光導波領域２０の内部に分布することができる。ｒ＜０．１であっても、非導波領域７３の幅が光導波領域２０の幅よりも大きければ、クロストーク現象を回避することができる。すなわち、他の実施形態における光スキャンデバイスにおいては、ｒ＜０．１にすることも可能である。

本実施形態における光スキャンデバイスでは、共通の材料４５にコストの安い材料を用いることにより製造コストを下げることができる。

＜変形例＞
図８８は、本実施形態の変形例における、光導波領域２０および非導波領域７３の構成を模式的に示す光スキャンデバイスの断面図である。図８８に示す例では、光導波領域２０および２つの非導波領域７３の各々は、共通の材料４５を含み、光導波領域２０は、部材４６を含む。部材４６は、第２のミラー４０に接する。部材４６の屈折率ｎ_１が共通の材料４５の屈折率ｎ_２よりも高いとき、光導波領域２０の平均屈折率は、非導波領域７３の平均屈折率よりも高い。これにより、光は光導波領域２０を伝搬することができる。この構成では、共通の材料４５および部材４６の各々は、例えば、ＳｉＯ、ＴａＯ、ＴｉＯ、ＡｌＯ、ＳｉＮ、ＡｌＮ、およびＺｎＯからなる群から選択される一種類の材料であり得る。共通の材料４５として空気などの気体または液体を用いてもよい。その場合には、厚さを容易に変化させることができる。つまり、図８８に示す構成は、厚さを変調する方式に有利である。

図８９は、図８８に示す例における、ミラー間距離に対する部材４６の寸法の比ｒと電界の広がりとの関係を示す図である。計算に用いた屈折率はｎ_１＝１．６およびｎ_２＝１．４５である。光導波領域２０の幅はｗ＝３．０μｍであり、光導波領域２０の厚さはｈ＝０．６５μｍ（ｍ＝２）である。図８９からわかるように、本変形例においても、図８５および図８７に示す例と同様に、ｒ≦０．２において電界の広がりは急激に大きくなる。

第１のミラー３０および第２のミラー４０の少なくとも一方の反射面に段差を設けることによっても、光導波領域２０または非導波領域７３を形成することができる。当該段差を設けることによって生じる凸部は、共通の材料４５とは異なる屈折率を有する部材４６に相当する。

図９０Ａは、第２のミラー４０の反射面の一部に、他の部分から盛り上がった凸部が設けられた例を示す断面図である。この例では、凸部が、前述の例における部材４６に相当する。このため、以下の説明では、凸部を「部材４６」と称する。この例における凸部、すなわち部材４６は、第２のミラー４０と同一の材料から形成されている。部材４６は、第２のミラー４０の一部であるともいえる。図９０Ａに示す例では、共通の材料４５の屈折率ｎ _２が、部材４６の平均屈折率よりも低い。この例では、Ｚ方向から見たときに、部材４６を含む領域が光導波領域２０に相当し、部材４６を含まない領域が非導波領域７３に相当する。

図９０Ｂは、第２のミラー４０の反射面の一部に凸部が設けられた他の例を模式的に示す断面図である。図９０Ｂに示す例では、共通の材料４５の屈折率ｎ _２が、凸部４６の平均屈折率よりも高い。この例では、Ｚ方向から見たときに、凸部、すなわち部材４６を含まない領域が光導波領域２０に相当し、部材４６を含む領域が非導波領域７３に相当する。

図９０Ａおよび図９０Ｂに示すように、共通の材料４５の屈折率と部材４６の屈折率との大小関係により、光導波領域２０および非導波領域７３が決まる。

図９１は、第１のミラー３０と第２のミラー４０との間において、第１のミラー３０側に２つの部材４６が離れて配置されている構成例を模式的に示す断面図である。図９２は、第１のミラー３０と第２のミラー４０との間において、第１のミラー３０および第２のミラー４０の両側の各々に２つの部材４６が離れて配置されている構成例を模式的に示す光スキャンデバイスの断面図である。図９１に示す例において、２つの部材４６は第１のミラー３０に接し、図９２に示す例において、上の２つの部材４６は第１のミラー３０に接し、下の２つの部材４６は第２のミラーに接する。部材４６の屈折率はｎ_１であり、共通の材料４５の屈折率はｎ_２である。ｎ_１＜ｎ_２では、Ｚ方向から見たときに、部材４６を含まない領域が光導波領域２０に相当し、部材４６を含む領域が非導波領域７３に相当する。ｎ_１＞ｎ_２では、Ｚ方向から見たときに、部材４６を含む領域が光導波領域２０に相当し、部材４６を含まない領域が非導波領域７３に相当する。

図９３は、第１のミラー３０と第２のミラー４０の間において、第１のミラー３０側に２つの部材４６が離れて配置され、第２のミラー４０側に他の部材４７が配置されている構成例を模式的に示す断面図である。図９３に示す例において、２つの部材４６は第１のミラー３０に接し、他の部材４７は第２のミラー４０に接する。Ｚ方向から見たときに、部材４６と他の部材４７とは重なり合わない。共通の材料４５の屈折率はｎ_２であり、部材４６の屈折率はｎ_１であり、他の部材４７の屈折率はｎ_３である。部材４６と他の部材４７において、屈折率および寸法の少なくとも１つは異なっていてもよい。

Ｚ方向から見たときに、部材４６を含む領域の平均屈折率が他の部材４７を含む領域の平均屈折率よりも大きいとき、部材４６を含む領域が光導波領域２０に相当し、他の部材４７を含む領域が非導波領域７３に相当する。Ｚ方向から見たときに、部材４６を含む領域の平均屈折率が他の部材４７を含む領域の平均屈折率よりも小さいとき、他の部材４７を含む領域が光導波領域２０に相当し、部材４６を含む領域が非導波領域７３に相当する。

例えば、部材４６の屈折率ｎ_１が共通の材料４５の屈折率ｎ_２よりも低く、他の部材４７の屈折率ｎ_３が共通の材料４５の屈折率ｎ_２よりも高い構成（ｎ_１＜ｎ_２＜ｎ_３）を想定する。この構成では、Ｚ方向から見たときに、他の部材４７を含む領域が光導波領域２０に相当し、部材４６を含む領域が非導波領域７３に相当する。光導波領域２０が共通の材料４５の屈折率ｎ_２よりも高い屈折率ｎ_３を有する１つ以上の他の部材４７を含むことにより、光導波領域２０の平均屈折率と非導波領域７３の平均屈折率との差が大きくなる。これにより、光導波領域２０の導波モードの非導波領域７３への染み出しを抑制することができる。

図９４は、第１のミラー３０と第２のミラー４０の間において、第２のミラー４０側に２つの部材４６が離れて配置されている例を模式的に示す光スキャンデバイスの断面図である。図９４に示す例では、光スキャンデバイスは、第１のミラー３０と第２のミラー４０との距離を固定する２つの支持部材７４をさらに備える。２つの支持部材７４は、２つの非導波領域の外側に位置する。

図９５は、第１のミラー３０と第２のミラー４０の間において、第１のミラー３０および第２のミラー４０の両側の各々に部材４６が配置されている構成例を示す断面図である。Ｚ方向から見たときに、上下の２つの部材４６は重なり合う。共通の材料４５が空気であれば、Ｚ方向から見たときに、部材４６を含む領域が光導波領域２０に相当し、部材４６を含まない領域が非導波領域７３に相当する。

光スキャンデバイスにおいて、調整素子は、第１のミラー３０および第２のミラー４０の少なくとも一方に接続されたアクチュエータ７８を備えてもよい。アクチュエータ７８は、第１のミラー３０と第２のミラー４０との距離を変化させることにより、光導波領域２０の厚さを変化させることができる。

アクチュエータ７８は、圧電部材を含み、圧電部材を変形させることにより、第１のミラー３０と第２のミラー４０との距離を変化させてもよい。これにより、光導波領域２０から出射される光の方向を変化させることができる。圧電部材の材料は、図４２から４８を参照して説明した通りである。

また、図８３、８８、９０Ａ，９０Ｂおよび９１から９５に示す共通の材料４５は液晶であり得る。その場合、調整素子は、光導波領域２０を間に挟む一対の電極を備え得る。調整素子は、当該一対の電極に電圧を印加する。これにより、光導波領域２０の屈折率が変化する。その結果、光導波領域２０から出射される光の方向が変化する。

上記の光導波領域２０および２つの非導波領域７３をアレイ化して光スキャンデバイスを構成してもよい。当該光スキャンデバイスは、上記の光導波領域２０を含む複数の光導波領域と、上記の２つの非導波領域７３を含む複数の非導波領域とを備える。複数の光導波領域の各々の平均屈折率は、複数の非導波領域の各々の平均屈折率よりも高い。複数の光導波領域および複数の非導波領域は、第１のミラー３０と第２のミラー４０の間においてＹ方向に交互に並ぶ。

当該光スキャンデバイスは、複数の光導波領域にそれぞれ接続された複数の位相シフタをさらに備えてもよい。複数の位相シフタのそれぞれは、複数の光導波領域の対応する１つにおける光導波領域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。

各位相シフタにおける導波路は、電圧の印加または温度変化に応じて屈折率が変化する材料を含んでもよい。上記調整素子を、第１調整素子とする。第１調整素子と異なる第２調整素子は、各位相シフタにおける導波路に電圧を印加する、または導波路の温度を変化させる。これにより、導波路内の屈折率が変化し、複数の位相シフタから複数の光導波領域に伝搬する光の位相の差がそれぞれ変化する。その結果、複数の光導波領域から出射される光の方向が変化する。より具体的には、第２調整素子により、出射される光の波数ベクトルのＹ成分が変化する。

＜光学素子による光スキャンの範囲の変更＞
前述したように、光スキャンデバイスにおいて、光スキャンの範囲は、光導波層２０の厚さおよび／または屈折率などの構造パラメータによって決定される。したがって、通常、光スキャンの範囲を変更するために、構造パラメータが調整される。しかし、構造パラメータの調整では、光スキャンの範囲は、それほど大きく変更されない。

本発明者らは、光スキャンの範囲を比較的容易に変更する光デバイスの構成を検討した。その結果、以下の各実施形態の構成に想到した。

第１の項目に係る光デバイスは、第１の方向および前記第１の方向に垂直な第２の方向に拡がる第１の反射面を有する第１のミラーと、前記第１の反射面に対向する第２の反射面を有する第２のミラーと、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間の領域の一部に位置し、光を前記第１の方向に沿って伝搬させる光導波層と、前記第１のミラーの前記第１の反射面とは反対の側に位置する光学素子であって、入射した光を、屈折および／または回折により、入射方向とは異なる方向に出射させる光学素子と、を備える。前記第１のミラーにおける前記光の透過率は、前記第２のミラーにおける前記光の透過率よりも高い。前記光導波層は、屈折率および／または厚さを調整することが可能な構造を有する。前記光導波層の屈折率および／または厚さを調整することにより、前記光導波層から前記第１のミラーおよび前記光学素子を介して出射される光の方向、または前記光学素子および前記第１のミラーを介して前記光導波層内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、光学素子は、第１のミラーの第１の反射面とは反対の側に位置する。当該光学素子がある場合とない場合とでは、第１のミラーから外部に出射される光の方向が異なる。したがって、当該光学素子により、出射光を所望の方向に変更することが可能になる。光学素子は、屈折および／または回折により、（１）光導波層から第１のミラーを介して入射した光を、当該入射方向よりも第１の方向の成分が小さくなる方向に出射してもよく、あるいは（２）当該光デバイスの外部から入射した光を、当該入射方向よりも第１の方向の成分が大きくなる方向に出射してもよい。入射方向よりも第１の方向の成分が小さい方向は、負の第１の方向の成分を有する方向であってもよい。また、外部からの光の入射方向は、負の第１の方向の成分を有していてもよい。光導波層から出射される光の方向の変化の範囲、または、光導波層内に取り込まれる光の入射方向の変化の範囲は、第１の反射面に垂直な方向を含んでいてもよい。

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、前記光学素子が、前記光導波層の屈折率および／または厚さが変化したときの、前記光導波層から出射される前記光の前記方向の変化、または、前記光導波層内に取り込まれる前記光の前記入射方向の変化を拡大させる。

この光デバイスでは、光導波層の屈折率および／または厚さの変化のおける光の出射角度または入射角度の変化は、光学素子がない場合よりも、ある場合の方が大きく変化する。

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、前記光学素子が、プリズムを含む。

この光デバイスでは、プリズムを含む光学素子により、第１または第２の項目に係る光デバイスの効果を実現することができる。

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、前記プリズムが、前記第１のミラーに対向する第１の面と、前記第１の面とは反対の側に位置する第２の面とを有する。前記第１の面は、前記第１の反射面に平行であるか、または交差する。前記第２の面は、前記第１の反射面と交差する。

この光デバイスでは、上記の具体的な構造を有するプリズムにより、第１または第２の項目に係る光デバイスの効果を実現することができる。

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、前記光学素子が、回折格子を含む。

この光デバイスでは、回折格子を含む光学素子により、第１または第２の項目に係る光デバイスの効果を実現することができる。

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、前記回折格子が、前記第１の方向に沿って屈折率が変化する複数の凹部を有する。

この光デバイスでは、上記の具体的な構造を有する回折格子により、第１または第２の項目に係る光デバイスの効果を実現することができる。

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、前記光導波層に接続され、実効屈折率がｎ_ｅ１である導波モードの光を前記第１の方向に沿って伝搬させる導波路をさらに備える。前記導波路の先端部は、前記光導波層の内部にある。前記第１の反射面に垂直な方向から見て前記導波路および前記光導波層が重なる領域において、前記導波路および前記光導波層の少なくとも一部は、前記第１の方向に沿って屈折率が周期ｐで変化する少なくとも１つのグレーティングを含む。さらに、λ／ｎ_ｅ１＜ｐ＜λ／（ｎ_ｅ１－１）が満たされる。

この光デバイスでは、導波路を伝搬する光は、グレーティングを介して、スローライト導波路である光導波層に高い効率で伝搬することができる。これにより、導波光の高い結合効率を実現することができる。

第８の項目に係る光デバイスは、第１から第６の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、複数の導波路ユニットを備える。各導波路ユニットは、前記第１および第２のミラー、前記光導波層、および前記光学素子を含む。前記複数の導波路ユニットは、前記第２の方向に配列されている。

この光デバイスでは、第１の項目に係る光デバイスがアレイ化されている。このアレイ化された光デバイスでも、第１の項目に係る光デバイスの効果を得ることができる。

第９の項目に係る光デバイスは、第８の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記複数の導波路ユニットにそれぞれ接続された複数の位相シフタであって、それぞれが、前記複数の導波路ユニットの対応する１つにおける前記光導波層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複数の位相シフタをさらに備える。前記複数の位相シフタを通過する光の位相の差をそれぞれ変化させることにより、前記第１のミラーから出射する前記光の方向、または、前記第１のミラーを介して前記光導波層に取り込まれる前記光の入射方向が変化する。

この光デバイスでは、位相シフタによって光スキャンおよび光受信の方向を変化させることができる。

第１０の項目に係る光デバイスは、第７の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、複数の導波路ユニットを備える。各導波路ユニットは、前記第１および第２のミラー、前記光導波層、前記光学素子、および前記導波路を含む。前記複数の導波路ユニットは、前記第２の方向に配列されている。

この光デバイスでは、少なくとも１つのグレーティングを含む導波路をさらに備える第１の項目に係る光デバイスが、アレイ化されている。このアレイ化された光デバイスでも、第１の項目に係る光デバイスの効果を得ることができる。

第１１の項目に係る光デバイスは、第１０の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記複数の導波路ユニットにそれぞれ接続された複数の位相シフタであって、それぞれが、前記複数の導波路ユニットの対応する１つにおける前記導波路に直接的にまたは他の導波路を介して繋がる第２の導波路を含む複数の位相シフタをさらに備える。前記複数の位相シフタを通過する光の位相の差をそれぞれ変化させることにより、前記第１のミラーから出射する前記光の方向、または、前記第１のミラーを介して前記光導波層に取り込まれる前記光の入射方向が変化する。

この光デバイスでは、位相シフタによって光スキャンおよび光受信の方向を変化させることができる。

第１２の項目に係る光デバイスは、第８から第１１の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、共通の光学素子を備える。各導波路ユニットにおける前記光学素子は、前記共通の光学素子の一部である。

この光デバイスでは、複数の導波路ユニットは、共通の光学素子で覆われている。共通の光学素子により、第１の項目に係る光デバイスの効果を得ることができる。

第１３の項目に係る光デバイスは、第１２の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、複数の導波路アレイと、基板とを備える。各導波路アレイは、前記複数の導波路ユニットを含む。前記複数の導波路アレイは、前記基板上に設けられている。

この光デバイスでは、各々が複数の導波路ユニットを含む複数の導波路アレイが、同一基板上に設けられている。共通の光学素子により、各導波路アレイから出射される光の方向が変更される。

第１４の項目に係る光デバイスは、第１３の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、光学基板を備える。各導波路アレイにおける前記共通の光学素子は、前記光学基板の一部である。

この光デバイスでは、共通の光学素子は、光学基板の一部である。当該共通の光学素子により、各導波路アレイから出射される光の方向が変更される。

第１５の項目に係る光デバイスは、第１４の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記複数の導波路アレイにおける前記共通の光学素子が、すべて同じ構造を備える。

この光デバイスでは、複数の導波路アレイから出射される光の方向は、すべて同じである。

第１６の項目に係る光デバイスは、第１４の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記複数の導波路アレイにおける前記共通の光学素子の少なくとも２つが、異なる構造を備える。

この光デバイスでは、複数の導波路アレイから出射される光の方向のうち少なくとも２つは、互いに異なる。

第１７の項目に係る光デバイスは、第１４の項目のいずれかに係る光デバイスにおいて、前記複数の導波路アレイにおける前記共通の光学素子が、すべて異なる構造を備える。

この光デバイスでは、複数の導波路アレイから出射される光の方向は、すべて互いに異なる。

第１８の項目に係る光検出システムは、第１から第１７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、対象物から反射された光が戻ってくる時間を計測することにより、対象物の距離分布データを得ることができる。

以下に、プリズムによる光偏向の原理を説明する。

図９６は、本開示の実施形態における光デバイスの一例を模式的に示す図である。

本実施形態における光デバイスは、第１のミラー３０および第２のミラー４０と、光導波層２０と、光学素子３２とを備える。

第１のミラー３０および第２のミラー４０、ならびに光導波層２０の詳細については、前述した通りである。

光学素子３２は、第１のミラー３０の反射面とは反対の側に位置する。光学素子３２は、光学素子３２に入射した光を、屈折および／または回折により、入射方向とは異なる方向に出射させる。光学素子３２は、入射した光を、屈折および／または回折により、入射方向よりも第１の方向の成分が小さい方向に出射させてもよい。図９６に示す例では、光学素子３２は、媒質３２ｓ、およびプリズム３２ｐ含む。媒質３２ｓは、第１のミラー３０上に設けられている。プリズム３２ｐは、媒質３２ｓ上に設けられている。光学素子３２は、プリズム３２ｐおよび媒質３２ｓの両方を含む必要はなく、少なくとも一方だけを含んでいてもよい。

プリズム３２ｐは、第１のミラー３０に対向する下面３２ｐｌと、下面３２ｐｌとは反対の側に位置する上面３２ｐｕとを有する。プリズム３２ｐの下面３２ｐｌは、第１のミラー３０の反射面に平行であるか、または交差する。プリズム３２ｐの下面３２ｐｌが第１のミラー３０の反射面に平行である場合、プリズム３２ｐの上面３２ｐｕは、第１のミラー３０の反射面に交差する。プリズム３２ｐの下面３２ｐｌが第１のミラー３０の反射面に交差するある場合、プリズム３２ｐの上面３２ｐｕは、第１のミラー３０の反射面に平行であるか、または交差する。

光導波層２０を伝搬する光の一部は、第１のミラー３０および光学素子３２を介して、外部に出射される。屈折率および／または厚さを調整することにより、外部に出射される光の方向が変化する。

図９６に示す例において、以下のようにパラメータが設定されている。プリズム３２ｐの屈折率をｎ_ｐとし、媒質３２ｓの屈折率をｎ_ｓとする。プリズム３２ｐの下面３２ｐｌとＸＹ平面とがなす角度をθ_ｐ１とし、プリズム３２ｐの上面３２ｐｕとＸＹ平面とがなす角度をθ_ｐ２とする。第１のミラー３０から出射され、媒質３２ｓ内を伝搬する光の方向と、Ｚ方向とがなす角度を、θ_１とする。プリズム３２ｐから外部に出射される光の方向と、Ｚ方向とがなす角度を、θ_２とする。スネルの法則から、θ_２は、以下の式（２３）によって表される。

なお、媒質３２ｓと第１のミラー３０との界面における境界条件から、ｎ_ｓｓｉｎθ_１は、式（３）における右辺の式と等しい。光学素子３２の設計パラメータｎ_ｐ、ｎｓ、θ_ｐ１、θ_ｐ２を調整することにより、θ_１の範囲に応じてθ_２を任意に選択することができる。光導波領域２０を伝搬する光の方向を正とするとき、第一のミラー３０から射出される光の角度は波数ベクトルのＸ成分が正の領域に限定されるが、上記設計パラメータｎ_ｐ、ｎｓ、θ_ｐ１、θ_ｐ２の調整により出射光の波数ベクトルを０°を含む負の領域まで拡大あるいは変更することもできる。図９６に示す例では、光の伝搬方向は、ＸＺ平面に平行であるが、平行でなくてもよい。プリズム３２ｐの上面３２ｐｕおよび下面３２ｐｌの少なくとも一方に反射防止膜を設けることにより、光反射などによる損失を低減させることも可能である。

次に、光学素子３２がある場合における出射角度の変化の計算例を説明する。

図９７は、計算に用いられる光デバイスの一例を模式的に示す図である。第１のミラー３０と媒質３２ｓとの間、および／または媒質３２ｓとプリズム３２ｐとの間に、空間が存在してもよい。

図９７に示す例における計算条件は、以下の通りである。計算の簡単のために、θ_ｐ１＝０°である。プリズム３２ｐおよび媒質３２ｓは、同じ屈折率ｎ_ｐ＝ｎ_ｓ＝１．４５１を有する。したがって、プリズム３２ｐおよび媒質３２ｓ内における光の伝搬方向は同じである。

図９８は、図９７に示す例における、光学素子がない場合の光の出射角度と、光学素子がある場合の光の出射角度との関係を示す図である。丸印はθ_ｐ２＝－１０°のプリズム３２ｐを表し、四角印はθ_ｐ２＝－４５°のプリズム３２ｐを表し、三角印はθ_ｐ２＝１０°のプリズム３２ｐを表す。なお、丸印の例では、光が光導波領域２０を正のＸ方向に進み、四角印および三角印の例では、光が光導波領域２０を負のＸ方向に進む。θ_ｐ２が負の値になる場合は、図１１２に示すように、プリズム３２ｐの上面３２ｐｕの法線ベクトルが負のＸ成分を有する。

光学素子３２がない場合、光の出射角度の範囲は、－２５°から－５°の負の範囲と、５°から２５°の正の範囲とである。本実施形態の構成によれば、図６３に示すように光導波層２０内における光の伝搬方向を逆転させることによって構造を複雑に変更することなく、光の出射角度を正負の範囲において変化させることができる。

光学素子３２がある場合、θ_ｐ２＝－１０°では、光の出射角度の範囲は、光学素子３２がない場合における５°から２５°の範囲から、１２°から４５°の範囲に変換される。この場合、出射角度の変化量は、光学素子３２がない場合における２０°から、３３°に増加する。

同様に、θ_ｐ２＝－４５°では、光の出射角度の範囲は、光学素子３２がない場合における－２５°から－５°の範囲から、－１５°から２４°の範囲に変換される（図１１２参照）。この場合、出射角度の変化量は、光学素子３２がない場合における２０°から、３９°に増加する。すなわち、光の伝搬方向を逆転させることなく、光の出射角度を正負の範囲において変化させることができる。

同様に、θ_ｐ２＝１０°では、光の出射角度の範囲は、光学素子がない場合の－２５°から－５°の範囲から、－４５°から－１２°の範囲に変換される。この場合、出射角度の変化量は、光学素子３２がない場合における２０°から、３３°に増加する。

図９８に示すように、光学素子３２におけるプリズム３２ｐの角度θ_ｐ２を変化させることにより、光の出射角度の変化を増加させることができる。言い換えれば、光学素子３２により、光導波層２０から出射される光の方向の変化が拡大する。

同一基板上に設けられた同じ３つのスローライド導波路１０上に、それぞれθ_ｐ２＝－１０°、－４５°、１０°のプリズム３２ｐを含む光学素子３２を設ければ、図９８に示すように、－４５°から４５°の範囲を光スキャンすることができる。

図９９は、本実施形態における光デバイスの一例を模式的に示す図である。図９９に示す例では、透明基板である光学素子３２が、第１のミラー３０上に設けられている。光学素子３２は、透明基板の一部を削って形成された斜面を有するプリズム３２ｐを含む。図９９に示す光デバイスでも、図９６および図９７に示す光デバイスと同じ効果を期待することができる。

次に、回折格子による光偏向の原理を説明する。

図１００は、本実施形態における光デバイスの一例を模式的に示す図である。図１００に示す例では、第１のミラー３０上に、回折格子３２ｇを含む光学素子３２が設けられている。回折格子３２ｇは、光学素子３２の上面において、Ｘ方向に沿って屈折率が変化する複数の凹部を有する。

図１００に示す例において、以下のようにパラメータが設定されている。第１のミラー３０から出射され、光学素子３２内を伝搬する光の方向と、Ｚ方向とがなす角度を、θ_１とする。光学素子３２から出射される光の方向と、Ｚ方向とがなす角度を、θ_２とする。光学素子３２の屈折率をｎ_ｓとする。回折格子３２ｇは、周期ｐの凹部を有するとする。光導波層２０を伝搬する光の空気中における波長をλとする。

光学素子３２と外部との界面において、光の波数ベクトルのＸ成分は保存する。光学素子３２内を伝搬する光の波数ベクトルのＸ成分は、２πｎ_ｓｓｉｎθ_１／λである。回折格子３２ｇの近傍では、光の波数ベクトルのＸ成分は、逆格子（２π／ｐ）の整数倍だけシフトする。したがって、回折格子３２ｇの近傍における光の波数ベクトルのＸ成分は、２πｎ_ｓｓｉｎθ_１／λ－（２π／ｐ）ｍである。ｍは回折光の次数である。一方、外部に出射される光の波数ベクトルのＸ成分は、２πｓｉｎθ_２／λである。２πｎ_ｓｓｉｎθ_１／λ－（２π／ｐ）ｍ＝２πｓｉｎθ_２／λから、以下の式（２４）が得られる。

なお、光学素子３２と第１のミラー３０との界面における境界条件から、ｎ_ｓｓｉｎθ_１は、式（３）における右辺の式と等しい。０次光では、ｍ＝０および式（２４）から、スネルの法則ｎ_ｓｓｉｎθ_１＝ｓｉｎθ_２が成り立つ。すなわち、θ_２は、式（３）におけるθと同じである。±１次以上の高次光の出射角度θ_２は、周期ｐに応じて変化する。すなわち、周期ｐを適切に調整することにより、出射角度θ_２を任意に選択することができる。

図１０１は、図１００に示す例における、光学素子がない場合の光の出射角度と、光学素子がある場合の光の出射角度との関係を示す図である。図１０１に示す例における計算条件は、波長λ＝９４０ｎｍであり、周期ｐ＝３μｍである。

光学素子３２がない場合、光の出射角度は、５°から２５°の範囲において変化する。

光学素子３２がある場合、０次光の出射角度の範囲は、前述したように、光学素子３２がない場合における５°から２５°の範囲と同じである。

光学素子３２がある場合、－１次光の出射角度の範囲は、－１３°から６°の範囲である。同様に、１次光の出射角度の範囲は、２３°から４７°の範囲である。

０次光および±１次光を用いることにより、光スキャンの範囲を－１３°から４７°まで変化させることができる。

回折格子３２ｇは、図１００に示す例に限られない。

図１０２は、本実施形態における光デバイスの一例を模式的に示す図である。図１０２に示す例では、光学素子３２は、透過型ブレーズド回折格子３２ｇを含む。ブレーズド回折格子３２ｇは、ノコギリ状のプリズムが周期的に配列された構造である。ブレーズド回折格子３２ｇに入射し、屈曲されて出射される光は、式（２３）および式（２４）の両方を満たす偏向方向に強く回折される。

図１００および１０２に示す例では、第１のミラー３０上に、回折格子３２ｇを含む光学素子３２が設けられているが、これに限られない。第１のミラー３０に回折格子３２ｇを直接形成してもよい。

次に、図９６、９７、９９、１００および１０２に示す光デバイスをＹ方向にアレイ化した例を説明する。

本実施形態における光デバイスは、Ｙ方向に配列された複数の導波路ユニットを備える。各導波路ユニットは、第１のミラー３０および第２のミラー４０と、光導波層２０と、光学素子３２と、を含む。各導波路ユニットは、前述した少なくとも１つのグレーティングを備える導波路をさらに含んでもよい。

本実施形態における光デバイスは、共通の光学素子３２を備えてもよい。その場合、各導波路ユニットにおける光学素子は、共通の光学素子３２の一部である。言い換えれば、共通の光学素子３２は、複数の導波路ユニットを覆っている。以下では、「共通の光学素子３２」を、単に「光学素子３２」と称することがある。

本実施形態における光デバイスは、複数の導波路ユニットにそれぞれ接続された複数の位相シフタをさらに備えてもよい。

各導波路ユニットが、前述した少なくとも１つのグレーティングを備える導波路を含まない場合、複数の位相シフタのそれぞれは、複数の導波路ユニットの対応する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。

各導波路ユニットが、前述した少なくとも１つのグレーティングを備える導波路を含む場合、複数の位相シフタのそれぞれは、複数の導波路ユニットの対応する１つにおける前述した少なくとも１つのグレーティングを備える導波路に直接的にまたは他の導波路を介して繋がる第２の導波路を含む。

アレイ化された光デバイスは、２次元方向の光スキャンを可能にする。

次に、Ｙ方向にアレイ化された複数の導波路ユニットを１つの導波路アレイとし、同一基板上に複数の導波路アレイを設ける例を説明する。

図１０３は、本実施形態における光デバイスの一例を模式的に示す図である。図１０３に示すように、各導波路アレイ１０Ａは、方向１０１および方向１０２に沿って出射光を変化させることができる。

本実施形態における光デバイスは、複数の導波路アレイ１０Ａと、基板５０とを備える。複数の導波路アレイ１０Ａは、同一基板５０上に設けられている。複数の導波路アレイ１０Ａ上には、それぞれ、複数の光学素子３２が設けられている。各光学素子３２は、プリズム３２ｐを含む。図１０３に示す例において、３つの導波路アレイ１０Ａ上に、それぞれθ_ｐ２＝－１０°、－４５°、１０°の図９７に示すプリズム３２ｐを設ければ、図９８に示すように、－４５°から４５°の範囲を光スキャンすることができる。

図１０４は、本実施形態における光デバイスの一例を模式的に示す図である。

本実施形態における光デバイスは、透明な光学基板３３を備える。図１０４に示す例では、複数の導波路アレイ１０Ａ上に光学基板３３が設けられている。光学基板３３は、複数の光学素子３２を含む。各光学素子３２は、図９９に示すプリズム３２ｐを含む。複数の光学素子３２は、それぞれ複数の導波路アレイ１０Ａ上に位置する。図１０４に示す光学基板３３により、複数の導波路アレイ１０Ａ上にそれぞれ複数の光学素子３２を設けることが容易になる。複数の光学素子３２は、すべて同じ構造を備えてもよい。この場合、複数の導波路アレイ１０Ａから出射される光の方向は、すべて同じである。複数の光学素子３２の少なくとも２つは、互いに異なる構造を備えてもよい。この場合、複数の導波路アレイ１０Ａから出射される光の方向の少なくとも２つは、異なる。複数の光学素子３２は、すべて互いに異なる構造を備えてもよい。この場合、複数の導波路アレイ１０Ａから出射される光の方向は、すべて互いに異なる。

図１０５は、本実施形態における光デバイスの一例を模式的に示す図である。図１０５に示す例では、複数の導波路アレイ１０Ａ上に光学素子３２が設けられている。光学素子３２は、複数の導波路アレイ１０Ａを覆う１つのプリズム３２ｐを含む。これにより、図１０３および１０４に示す例と比較して、光デバイスの作製が容易になる。

図１０３および１０４に示す例では、同一基板５０上に、複数の同じ導波路アレイ１０Ａが設けられている。光学素子３２がなければ、複数の導波路アレイ１０Ａから出射される光の方向は、すべて同じである。複数の導波路アレイ１０Ａ上にそれぞれ複数の光学素子３２を設けることにより、複数の導波路アレイ１０Ａから出射される光の方向を、別々に制御することができる。これにより、比較的容易に、光スキャンの範囲を広げることができる。

図１０３から１０５に示す例では、光学素子３２は、プリズム３２ｐの代わりに回折格子３２ｇを含んでもよい。光学素子３２は、プリズム３２ｐおよび回折格子３２ｇの両方を含んでもよい。

本実施形態における光デバイスは、光受信デバイスとしても機能する。その場合、外部からの光は、光学素子３２および第１のミラー３０を介して光導波層２０内に取り込まれる。光導波層２０の屈折率および／または厚さを調整することにより、外部から取り込まれる光の方向が変化する。

＜応用例＞
図１０６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１０６の構成例において、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１０６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１０６に示すように、全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１０６に示される全てのコンポーネントを集積することができる。

図１０７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１０８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とを備えている。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。

＜リニアセンサアレイによる視差の低減＞
本開示のＬｉＤＡＲシステム３００では、光スキャンデバイス１００と光検出器４００とは、同軸上に存在しない。これは、ＭＥＭＳなどを含む従来の光スキャンデバイスを用いた場合と異なる。そのため、光スキャンデバイス１００から出射され、物体によって反射された光を光検出器４００によって検出する場合、視差を補正することによって物体の位置が特定される。しかし、光検出器４００としてリニアセンサアレイを用いれば、視差の補正が不要になる。以下の説明では、光検出器４００を、リニアセンサアレイとする。

図１０９は、ＬｉＤＡＲシステムの構成例を模式的に示す図である。図１０９に示す例では、リニアセンサアレイ４００は、Ｘ方向に配列された複数の受光素子４００ａを含む。リニアセンサアレイ４００は、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。各受光素子４００ａ上には、不図示の光学系または光学素子が設けられていてもよい。光学系または光学素子して、例えばアナモルフィックレンズ、マイクロレンズアレイ、またはホログラフィック回折素子を用いることができる。これにより、各受光素子４００ａは、Ｙ方向に広い視野４００ｄを有する。

ＬｉＤＡＲシステム３００において、光スキャンデバイス１００は、Ｘ方向に直線状に延びる光３１０をＹ方向にスキャンする。光スキャンデバイス１００は、例えばＹ方向に延びる１つのスローライト導波路１０である。光３１０と、各受光素子４００ａの視野４００ｄとが重なる領域が、測距画像を取得することができる範囲である。

ＬｉＤＡＲシステム３００では、光スキャンデバイス１００から出射される光の出射角度から、物体のＹ方向の角度が得られる。リニアセンサアレイ４００上の受光位置から、物体のＸ方向の角度が算出される。ＴＯＦ動作により、光スキャンデバイス１００から出射され、物体によって反射され、リニアセンサアレイ４００に到達するまでの光の飛行距離が算出される。このようにして得られたＸ方向およびＹ方向の角度と、光の飛行距離とから、３次元空間における物体の位置を特定することができる。

以下において、３次元空間における物体の位置を特定する原理を説明する。

図１１０Ａは、光スキャンデバイスと、リニアセンサアレイの焦点との位置関係を模式的に示す図である。図１１０Ｂは、物体と、リニアセンサアレイと、リニアセンサアレイの焦点との位置関係を模式的に示す図である。

図１１０Ａに示す例では、光スキャンデバイス１００は、センサアレイ４００の焦点４００ＦとはＹ方向に距離ΔＹだけ離れた位置に配置されている。光スキャンデバイス１００の中心のＸ座標は、リニアセンサアレイ４００の中心のＸ座標と一致している。

前述したように、本構成例では、以下のパラメータを得ることができる。光スキャンデバイス１００から、光のＹ方向の出射角度θ_Ｙを得ることができる。リニアセンサアレイ４００の受光位置から、Ｘ方向の反射光の角度θ_Ｘを得ることができる。ＴＯＦ動作により、光スキャンデバイス１００から出射され、物体によって反射され、リニアセンサアレイ４００に到達するまでの光の総距離Ｚ_ａを得ることができる。これらのパラメータを用いて、リニアセンサアレイ４００から見た物体のＹ方向の角度θ_Ｙ’は、以下の式（２５）によって表される。

光スキャンデバイス１００と物体３５０との間の距離Ｚ_１、および物体３５０と、リニアセンサアレイ４００の焦点４００Ｆとの間の距離Ｚ_２は、それぞれ以下の式（２６）および式（２７）によって表される。

本実施例において、リニアセンサアレイ４００における各受光素子４００ａの視野４００ｄと、光スキャンデバイス１００の光３１０による光スキャン領域とが重なる範囲では、視差の影響のない測距画像を取得することができる。測距画像を取得することができる範囲は、前述したように、光スキャンデバイス１００から出射され、物体３５０によって反射された光がリニアセンサアレイ４００に到達する領域である。

図１１１は、光スキャンの範囲と、リニアセンサアレイにおける各受光素子の視野との位置関係を模式的に示す図である。図１１１に示すように、光３１０による光スキャンの範囲と、各受光素子４００ａの視野４００ｄとのずれは、測距距離に関係なく、光スキャンデバイス１００とリニアセンサアレイ４００との位置のずれΔＹと同じである。

本構成の他の例では、光スキャンデバイス１００として、Ｘ方向をスキャンの主軸とする２次元の光スキャンデバイスを用いることができる。この場合、リニアセンサアレイ４００の中心のＸ座標は、光スキャンデバイス１００の中心のＸ座標と一致するように配置され得る。これにより、視差の影響のない測距画像を取得することができる。

＜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６０とを備える。導波路アレイ１０Ａの各第１のミラー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のミラー３０を透過した光を伝搬させる。第１調整素子６０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、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、または位相シフタ８０ａおよび位相シフタ８０ｂと、複数の導波路素子１０から複数の位相シフタ８０、または位相シフタ８０ａおよび位相シフタ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調整素子を備えている場合には、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１０６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３１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ｎ_ｗおよび厚さｄから、θおよびα_０（式（１２）および式（１３））がわかる。このため、光の入射方向を特定することができる。

上述した実施形態および変形例は、適宜、組み合わせることができる。例えば、図１０から図２６を参照して説明した光デバイスの構成は、他の何れの実施形態におけるアレイ構造と組み合わせてもよい。

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。

１ 第１の導波路
２ 光導波層、導波路
３ 多層反射膜
４ 多層反射膜
５ グレーティング
６ レーザー光源
７ 光ファイバー
１０ 導波路素子（第２の導波路）
１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｍ グレーティング
２０ 光導波層
３０ 第１のミラー
３２ 光学素子
３２ｐ プリズム
３２ｇ 回折格子
４０ 第２のミラー
４２ 低屈折率層
４４ 高屈折率層
５０、５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ 基板
５１ 第１の誘電体層（調整層）
５２ 支持部材（補助基板）
６０ 調整素子
６１ 第２の誘電体層（保護層）
６２ 電極
６４ 配線
６６ 電源
６８ ヒーター
７０ 支持部材
７１ 非圧電素子
７２ 圧電素子
７３、７３ａ、７３ｂ スペーサ
７４ 支持部材
７５ 液晶材料
７６ 液晶分子
８０、８０ａ、８０ｂ 位相シフタ
９０、９０ａ、９０ｂ 光分岐器
９２ 光スイッチ
１００ 光スキャンデバイス
１０１、１０２ 領域
１１０ 導波路アレイの駆動回路
１１１ 駆動電源
１１２ スイッチ
１３０ 光源
２１０ 位相シフタアレイの駆動回路
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 (24)

1. 第１の方向および前記第１の方向に垂直な第２の方向に拡がる第１の反射面を有する第１のミラーと、
   前記第１の反射面に対向する第２の反射面を有する第２のミラーと、
   前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間の領域の一部に位置し、光を前記第１の方向に沿って伝搬させる光導波層と、
   前記第１のミラーの前記第１の反射面とは反対の側に位置する光学素子であって、入射した光を、屈折および／または回折により、入射方向とは異なる方向に出射させる光学素子と、を備え、
   前記光学素子は、屈折および／または回折により、前記光導波層から前記第１のミラーを介して入射した光を、当該入射方向よりも前記第１の方向の成分が小さくなる方向に出射し、
   前記光導波層は、屈折率および／または厚さを調整することにより、前記光導波層から前記第１のミラーおよび前記光学素子を介して出射される光の方向が変化する、光デバイス。
2. 前記光学素子は、前記光導波層の屈折率および／または厚さが変化したときの、前記光導波層から出射される前記光の前記方向の変化、または、前記光導波層内に取り込まれる前記光の前記入射方向の変化を拡大させる、請求項１に記載の光デバイス。
3. 前記光学素子は、プリズムを含む、請求項１または２に記載の光デバイス。
4. 前記プリズムは、前記第１のミラーに対向する第１の面と、前記第１の面とは反対の側に位置する第２の面とを有し、
   前記第１の面は、前記第１の反射面に平行であるか、または交差し、
   前記第２の面は、前記第１の反射面と交差する、請求項３に記載の光デバイス。
5. 前記光学素子は、回折格子を含む、請求項１から４のいずれかに記載の光デバイス。
6. 前記回折格子は、前記第１の方向に沿って屈折率が変化する複数の凹部を有する、請求項５に記載の光デバイス。
7. 前記光導波層に接続され、実効屈折率がｎ_ｅ１である導波モードの光を前記第１の方向に沿って伝搬させる導波路をさらに備え、
   前記導波路の先端部は、前記光導波層の内部にあり、
   前記第１の反射面に垂直な方向から見て前記導波路および前記光導波層が重なる領域において、前記導波路および前記光導波層の少なくとも一部は、前記第１の方向に沿って屈折率が周期ｐで変化する少なくとも１つのグレーティングを含み、
   λ／ｎ_ｅ１＜ｐ＜λ／（ｎ_ｅ１－１）を満たす、請求項１から６のいずれかに記載の光デバイス。
8. 複数の導波路ユニットを備え、
   前記複数の導波路ユニットの各々は、前記第１および第２のミラー、前記光導波層、および前記光学素子を含み、
   前記複数の導波路ユニットは、前記第２の方向に配列されている、請求項１から６のいずれかに記載の光デバイス。
9. 前記複数の導波路ユニットにそれぞれ接続された複数の位相シフタであって、それぞれが、前記複数の導波路ユニットの対応する１つにおける前記光導波層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複数の位相シフタをさらに備え、
   前記複数の位相シフタを通過する光の位相の差をそれぞれ変化させることにより、前記第１のミラーから出射する前記光の方向、または、前記第１のミラーを介して前記光導波層に取り込まれる前記光の入射方向が変化する、請求項８に記載の光デバイス。
10. 複数の導波路ユニットを備え、
    前記複数の導波路ユニットの各々は、前記第１および第２のミラー、前記光導波層、前記光学素子、および前記導波路を含み、
    前記複数の導波路ユニットは、前記第２の方向に配列されている、請求項７に記載の光デバイス。
11. 前記複数の導波路ユニットにそれぞれ接続された複数の位相シフタであって、それぞれが、前記複数の導波路ユニットの対応する１つにおける前記導波路に直接的にまたは他の導波路を介して繋がる第２の導波路を含む複数の位相シフタをさらに備え、
    前記複数の位相シフタを通過する光の位相の差をそれぞれ変化させることにより、前記第１のミラーから出射する前記光の方向、または、前記第１のミラーを介して前記光導波層に取り込まれる前記光の入射方向が変化する、請求項１０に記載の光デバイス。
12. 共通の光学素子を備え、
    前記複数の導波路ユニットの各々における前記光学素子は、前記共通の光学素子の一部である、請求項８から１１のいずれかに記載の光デバイス。
13. 複数の導波路アレイと、基板とを備え、
    前記複数の導波路アレイの各々は、前記複数の導波路ユニットを含み、
    前記複数の導波路アレイは、前記基板上に設けられている、請求項１２に記載の光デバイス。
14. 光学基板を備え、
    前記複数の導波路アレイの各々における前記共通の光学素子は、前記光学基板の一部である、請求項１３に記載の光デバイス。
15. 前記複数の導波路アレイにおける前記共通の光学素子は、すべて同じ構造を備える、請求項１４に記載の光デバイス。
16. 前記複数の導波路アレイにおける前記共通の光学素子の少なくとも２つは、互いに異なる構造を備える、請求項１４に記載の光デバイス。
17. 前記複数の導波路アレイにおける前記共通の光学素子は、すべて互いに異なる構造を備える、請求項１４に記載の光デバイス。
18. 前記光導波層から出射される前記光の前記方向の変化の範囲、または、前記光導波層内に取り込まれる前記光の前記入射方向の変化の範囲は、前記第１の反射面に垂直な方向を含む、請求項１から１７のいずれかに記載の光デバイス。
19. 請求項１から１８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。
20. 前記第１のミラーにおける前記光の透過率は、前記第２のミラーにおける前記光の透過率よりも高く、
    前記光導波層は、屈折率および／または厚さを調整することが可能な構造を有し、
    前記光導波層の屈折率および／または厚さを調整することにより、前記光導波層から前記第１のミラーおよび前記光学素子を介して出射される光の方向、または前記光学素子および前記第１のミラーを介して前記光導波層内に取り込まれる光の入射方向が変化する、請求項１から１８のいずれかに記載の光デバイス。
21. 第１の方向および前記第１の方向に垂直な第２の方向に拡がる第１の反射面を有する第１のミラーと、
    前記第１の反射面に対向する第２の反射面を有する第２のミラーと、
    前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間の領域の一部に位置し、光を前記第１の方向に沿って伝搬させる光導波層と、
    前記第１のミラーの前記第１の反射面とは反対の側に位置する光学素子であって、入射した光を、屈折および／または回折により、入射方向とは異なる方向に出射させる光学素子と、を備え、
    前記光学素子は、屈折および／または回折により、当該光デバイスの外部から入射した光を、当該入射方向よりも前記第１の方向の成分が大きくなる方向に出射し、
    前記光導波層は、屈折率および／または厚さを調整することにより、前記光学素子および前記第１のミラーを介して前記光導波層内に取り込まれる光の入射方向が変化し、
    前記光学素子は、平面視で、前記光導波層のすべてと重なる、光デバイス。
22. 第１の方向および前記第１の方向に垂直な第２の方向に拡がる第１の反射面を有する第１のミラーと、
    前記第１の反射面に対向する第２の反射面を有する第２のミラーと、
    前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間の領域の一部に位置し、光を前記第１の方向に沿って伝搬させる光導波層と、
    前記第１のミラーの前記第１の反射面とは反対の側に位置する光学素子であって、入射した光を、屈折および／または回折により、入射方向とは異なる方向に出射させる光学素子と、を備え、
    前記光学素子は、屈折および／または回折により、（１）前記光導波層から前記第１のミラーを介して入射した光を、当該入射方向よりも前記第１の方向の成分が小さくなる方向に出射し、または（２）当該光デバイスの外部から入射した光を、当該入射方向よりも前記第１の方向の成分が大きくなる方向に出射し、
    前記光導波層は、屈折率および／または厚さを調整することにより、前記光導波層から前記第１のミラーおよび前記光学素子を介して出射される光の方向、または前記光学素子および前記第１のミラーを介して前記光導波層内に取り込まれる光の入射方向が変化し、
    前記光学素子は、前記光導波層の屈折率および／または厚さが変化したときの、前記光導波層から出射される前記光の前記方向の変化、または、前記光導波層内に取り込まれる前記光の前記入射方向の変化を拡大させる、光デバイス。
23. 第１の方向および前記第１の方向に垂直な第２の方向に拡がる第１の反射面を有する第１のミラーと、
    前記第１の反射面に対向する第２の反射面を有する第２のミラーと、
    前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間の領域の一部に位置し、光を前記第１の方向に沿って伝搬させる光導波層と、
    前記第１のミラーの前記第１の反射面とは反対の側に位置する光学素子であって、入射した光を、屈折および／または回折により、入射方向とは異なる方向に出射させる光学素子と、
    複数の導波路ユニットと、
    前記複数の導波路ユニットにそれぞれ接続された複数の位相シフタであって、それぞれが、前記複数の導波路ユニットの対応する１つにおける前記光導波層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複数の位相シフタと、
    を備え、
    前記複数の導波路ユニットの各々は、前記第１および第２のミラー、前記光導波層、および前記光学素子を含み、
    前記複数の導波路ユニットは、前記第２の方向に配列されており、
    前記光学素子は、屈折および／または回折により、（１）前記光導波層から前記第１のミラーを介して入射した光を、当該入射方向よりも前記第１の方向の成分が小さくなる方向に出射し、または（２）当該光デバイスの外部から入射した光を、当該入射方向よりも前記第１の方向の成分が大きくなる方向に出射し、
    前記光導波層は、屈折率および／または厚さを調整することにより、前記光導波層から前記第１のミラーおよび前記光学素子を介して出射される光の方向、または前記光学素子および前記第１のミラーを介して前記光導波層内に取り込まれる光の入射方向が変化し、
    前記複数の位相シフタを通過する光の位相の差をそれぞれ変化させることにより、前記第１のミラーから出射する前記光の方向、または、前記第１のミラーを介して前記光導波層に取り込まれる前記光の入射方向が変化する、光デバイス。
24. 第１の方向および前記第１の方向に垂直な第２の方向に拡がる第１の反射面を有する第１のミラーと、
    前記第１の反射面に対向する第２の反射面を有する第２のミラーと、
    前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間の領域の一部に位置し、光を前記第１の方向に沿って伝搬させる光導波層と、
    前記第１のミラーの前記第１の反射面とは反対の側に位置する光学素子であって、入射した光を、屈折および／または回折により、入射方向とは異なる方向に出射させる光学素子と、を備え、
    前記光学素子は、屈折および／または回折により、（１）前記光導波層から前記第１のミラーを介して入射した光を、当該入射方向よりも前記第１の方向の成分が小さくなる方向に出射し、または（２）当該光デバイスの外部から入射した光を、当該入射方向よりも前記第１の方向の成分が大きくなる方向に出射し、
    前記第１のミラーにおける前記光の透過率は、前記第２のミラーにおける前記光の透過率よりも高く、
    前記光導波層は、屈折率および／または厚さを調整することが可能な構造を有し、
    前記光導波層は、屈折率および／または厚さを調整することにより、前記光導波層から前記第１のミラーおよび前記光学素子を介して出射される光の方向、または前記光学素子および前記第１のミラーを介して前記光導波層内に取り込まれる光の入射方向が変化する、光デバイス。

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