JP6879561B2 - 光偏向デバイスおよびライダー装置 - Google Patents

Description

本発明は、光の進行方向を制御し、偏向した出射ビームを出射する光偏向デバイス、および光偏向デバイスを備えたライダー装置に関する。

レーザープリンタ、レーザディスプレイ、３次元レーザ計測等に用いられるライダー（ＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging, Laser Imaging Detection and Ranging））の分野等において、光を偏向し、掃引（スキャン）するビームスキャンとして光偏向デバイスが用いられている。

光偏向デバイスとして、機械式ミラーを用いる構成、位相アレイを用いる構成、導波路からの光の漏れを利用した構成等が知られている。

機械式ミラーを用いる構成として、ポリゴンミラーや、ＭＥＭＳ技術による小型集積ミラーが知られている。

位相アレイを用いる構成は、多数の光が干渉してビームを形成する際、光の位相によってビームの方向が変化することを利用するものであり、基板上に集積された光導波路の光を多数の導波路に分岐させ、それぞれ導波路端面から、もしくは回折格子によって自由空間に放射させる。（非特許文献１）

導波路からの光の漏れを利用する構成として、多層膜構造の導波路や回折格子付き導波路がある。多層膜構造の漏れ導波路では、多層膜で挟まれた導波路を伝搬する光が漏れ出して放射される際、各位置での放射角が揃うことを利用して光ビームを形成するものであり、光の波長や導波路の屈折率を変えることによって光ビームをスキャンすることができる。また，多層膜の角度分散が大きい条件（スローライト条件）に近い波長で動作させると、波長や屈折率に対する感度が高まり、ビームスキャン角度を大きくすることができる。（非特許文献２）

回折格子付き導波路では、弱い回折格子によって導波路から光が徐々に漏れ出して光ビームを形成するものであり、波長や導波路屈折率によって光ビームをスキャンすることができる。（特許文献１）

特許第５６６２２６６号

"One-Dimensional Off-Chip Beam Steering and Shaping Using Optical Phased Arrays on Silicon-on-Insulator" Karel Van Acoleyen , Katarzyna Komorowska, Wim Bogaerts，Roel Baets JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 29, NO. 23, DECEMBER 1, 2011 "Giant and high-resolution beam steering using slow-light waveguide amplifier" Xiaodong Gu,Toshikazu Shimada, and Fumio Koyama 7 November 2011 / Vol. 19, No. 23 / OPTICS EXPRESS 22683

機械式ミラーを用いた構成は、一般に数cm角以上の大型になることに加え、可動部を有する。可動部を備える構成は、信頼性が低く、動作速度はkHzオーダーに制限されるという問題がある。自動車などの移動体に搭載する場合は振動に対する耐性が必要であるため、信頼性の低さは大きな問題になる。

位相アレイを用いた構成や導波路からの光の漏れを用いる構成は、機械的な可動部を備えないため、機械式ミラーの構成が持つ問題を解消することができるが、それぞれ以下のような考慮すべき点がある。

位相アレイを用いる構成は、各導波路の位相がわずかでも乱れると、形成される光ビームがマルチピークになり、ビーム品質が大きく劣化する。導波路の数が少ない場合には、各導波路の位相を補正することができるが、少ない数の導波路によって得られる光ビームは遠方で拡がってしまい、品質が劣化するという問題がある。光ビームの品質は、ビームの鋭さ、広がり角の狭さ、解像点数等で評価される。光ビームの品質劣化を抑えるには多数の導波路が必須であるが、多数の導波路の位相調整は非現実的なほど困難である。

シリコンフォトニクスの光集積技術は、Ｓｉ（シリコン）上にＳｉ系材料を用いて光導波路や受光素子、光変調器等といったデバイスをモノリシック集積する光集積技術であり、III-V族半導体をハイブリッド集積すれば発光素子も可能である。シリコンフォトニクスは、Ｓｉ−ＣＭＯＳ製造プロセスとの整合性がよいことから、光集積技術には不可欠な技術となっている。

導波路からの光の漏れを用いる構成は、光の漏れが低速で、長い領域からの漏れとなれば、遠方でも拡がらないので、高いビーム品質が得られる。しかしながら、多層膜構造の漏れ導波路は、この漏れの速度の調整が容易なので、高いビーム品質が得られ、スローライト条件によるブラッグ反射を利用してスキャン角度を拡大することができるが、光集積技術であるシリコンフォトニクスとの整合性がない。

一方，回折格子付き導波路は、シリコンフォトニクスの光集積技術を用いることができるが、スローライトが発現しないため、スローライト条件によるブラッグ反射を利用して大きなビームスキャン角度を得ることができない。外部にレンズ等の光素子を挿入して、ビームスキャン角度を拡大することはできるが、同時にビーム拡がり角も増大するため、解像点数が制限される。ここで解像点数とは、最大ビームスキャン角度とビーム拡がり角の比で定義され、ビーム偏向デバイスの性能指数として一般的に用いられる。なお、ビームスキャン角度は出射ビームを掃引した際の出射角度の振れ幅であり、出射角度が取り得る角度範囲が大きいほど、大きなビームスキャン角度を得ることができる。

したがって、非機械的な光偏向デバイスでは、光ビームにおいて、高いビーム品質及び偏向の広い角度範囲と、シリコンフォトニクスの光集積技術との整合性の両方を満足することが求められる。

本願発明の光偏向デバイスは、上記の課題を解決して、スローライトによる高いビーム品質、及び偏向の広い角度範囲の出射角度と、デバイスの構成においてシリコンフォトニクスによる光集積技術の整合性とを共に備えることを目的とする。

本願発明の光偏向デバイスは、屈折率の周期構造を備えたシリコンフォトニクスデバイスであり、
(1) 光が伝搬する光伝搬部を、シリコン等の高屈折率媒質を有する光導波層上に形成される微細構造とする構成
(2) 光伝搬部を構成する微細構造を、スローライトを発現する周期構造と、光を放射する周期構造の２つの周期構造とする構成
を備える。

(1)のシリコン上に形成される微細構造によって、シリコンフォトニクスの光集積技術を適用して光偏向デバイスを形成することを可能とし、(2)のスローライトを発現する周期構造と光を放射する周期構造の２つの周期構造によって、高いビーム品質と偏向の広い角度範囲を備える光ビームの形成を可能とする。

光偏向デバイスの周期構造は、
(a) シリコンの第１の屈折率媒質に第２の低屈折率媒質を周期ａで備え、周期方向の少なくとも一端を入射端とする光導波部を構成する第１の周期構造
(b) 第１の屈折率媒質に第２の屈折率媒質を第１の周期構造の周期ａよりも長い周期Λ（ａ＜Λ＜２ａ）で備え、周期方向の側端を出射端とする出射部を構成する第２の周期構造
を備え、
(c) 第２の周期構造の配置位置は、第１の周期構造の光導波部を伝搬する光の強度分布の周辺部（尾部）である構成
(d) 周期ａはａ＝λ/２ｎである（ｎは第１の周期構造の光導波部を伝搬する光の等価屈折率、λはブラッグ波長付近の波長）構成
を備える。

第１の周期構造によって、光導波部は、ａ＝λ/２nを満たすブラッグ波長付近でフォトニックバンドギャップ（ストップバンド）が生じて、光導波部内の群屈折率ｎ_ｇが大きくなり、群速度が小さいスローライトが生じる。スローライトは周囲に電磁界の強度分布の拡がり（浸み出し成分）を持ちながら伝搬する。第２の周期構造によって、出射部は、光導波部のスローライトの浸み出し成分と結合して散乱及び回折させ、導波部進行方向に対して上方や斜め方向に徐々に放射する。出射ビームは、導波部進行方向に沿って広い範囲から放射され、かつ、その放射は位相が揃っているため、高品質な鋭い光ビームとなる。

また、スローライトは、光の波長λや導波部の屈折率ｎのわずかな変化によって伝搬定数βが大きく変化する。第１の周期構造の伝搬定数βが変わると、第２の周期構造との結合条件が変わり、出射ビームの角度θが変わる。したがって、光の波長λや導波路の屈折率ｎを変化させて伝搬定数βを変えることで、出射ビームの角度θを変化させることができる。

第１の周期構造及び第２の周期構造において、第１の周期構造の刻みは第２の周期構造の刻みよりも大きい構成とする。

周期構造の刻みは、周期構造の屈折率媒質において、周期構造が形成する光が伝搬する進行方向と直交する深さ方向の大きさであり、刻みの大小によって、その周期構造がもつ光への作用の強さを異ならせる。

第１の周期構造の刻みは、第１の周期構造を屈折率媒質に周期的な穴を有したフォトニック結晶で構成する場合には、フォトニック結晶に設ける穴である。一方、第２の周期構造の刻みは、第２の周期構造を屈折率媒質に凹凸を形成した回折格子で構成する場合には、凹凸であり、屈折率媒質に周期的な穴を有したフォトニック結晶で構成する場合には、フォトニック結晶に設ける穴の深さである。

第１の周期構造の刻みを第２の周期構造の刻みよりも大きくすることによって、第１の周期構造にはスローライトを発生させ、その浸み出し成分が第２の周期構造に結合すると、第２の周期構造から低速で光が漏れ出し回折され、出射ビームとして放射される。

第１の周期構造の光導波部はスローライト導波路であり、スローライト導波路はフォトニック結晶で構成するフォトニック結晶導波路とすることができる。また、第２の周期構造の出射部の回折格子についてもフォトニック結晶で構成することができる。

第１の周期構造のフォトニック結晶導波路の構成は複数の形態とすることができる。例えば、シリコン基板上のクラッドとの間に空気層を備えるエアブリッジ型スローライト導波路の形態、又は、クラッド内に埋め込まれるクラッド埋込型スローライト導波路の形態とすることができる。

第２の周期構造の回折格子の構成についても複数の形態とすることができる。例えば、表面回折格子の形態、空気層を備えるエアブリッジ型回折格子の形態、クラッド内に埋め込まれる埋込型回折格子の形態、又はシリコン基板に形成する形態とすることができる。

エアブリッジ型回折格子の形態では、エアブリッジ型スローライト導波路の間、又はクラッド埋込型スローライト導波路のクラッドの間に空気層を挟んで屈折率を異にする回折格子の層を設けることで回折格子を形成することができる。

埋込型回折格子の形態では、クラッド埋込型スローライト導波路を埋め込むクラッドにおいて、上クラッドの上部、上クラッド、あるいは下クラッドのクラッド内に屈折率を異にする回折格子の層を埋め込むことで回折格子を形成することができる。

シリコン基板に形成する形態では、クラッドと接触するシリコン基板部分に凹凸形状を直接に刻むことで回折格子を形成することができる。

また、フォトニック結晶に回折格子を設ける配置位置についても、複数の形態とすることができる。例えば、回折格子をフォトニック結晶導波路の両側に設ける形態、回折格子をフォトニック結晶導波路の上部表面に設ける形態とすることができる。

スローライト導波路を構成するフォトニック結晶導波路は、フォトニック結晶の周期構造を短周期と長周期の２種類の周期を備える２重周期構造で構成することができ、短周期の周期構造は刻みを大きくして第１の周期構造のスローライト導波路を構成し、長周期の周期構造は刻みを小さくして第２の周期構造の回折格子を構成する。

また、第１及び第２の周期構造は、直線状の周期構造を有する１次元フォトニック結晶導波路、あるいは平面状の周期構造に直線欠陥部を有する２次元フォトニック結晶導波路とすることができる。

第２の周期構造の下方の基板側に、出射部から出射した出射光を反射する反射部を備える構成としてもよい。反射部は、出射部から出射した出射光の内、内部方向に向かう出射光を外部方向に向けて反射することによって、出射光に光量を増すことができる。

（２重周期構造の他の構成例）
２重周期構造の他の構成例は、フォトニック結晶の面内に、導波路に沿って２種類の異なる直径の円孔を繰り返す二重周期構造である。この二重周期構造は、大径の円孔を繰り返す周期構造と、小径の円孔を繰り返す周期構造とを備え、基準の円孔の直径を２ｒ、直径の相違幅を２Δｒとしたとき、大径の円孔の直径は２（ｒ＋Δｒ）であり、小径の円孔の直径は２（ｒ−Δｒ）である。

（出射角度を制御する構成）
出射ビームの出射角度θの変化において、出射角度θの感度は光の波長λや第１の周期構造を構成する屈折率媒質の屈折率ｎと関連して変化し、わずかな波長変化や屈折率変化によって出射角度θは大きく変化する。

本願発明の光偏向デバイスは、出射ビームの出射角度を制御する構成として、入射光の波長を制御する波長制御部、及び／又は、第１の周期構造及び／又は第２の周期構造の屈折率を制御する屈折率制御部を備えることができる。

波長制御部による入射光の波長λの変化、及び／又は、屈折率制御部による周期構造中の屈折率媒質の屈折率ｎの変化によって、出射ビームの出射角度θを変化させる。

また、波長制御部の波長変化、及び/又は屈折率制御部の屈折率変化を制御するために、制御部を備えてもよい。制御部は、波長変化及び／又は屈折率変化を時間制御することによって出射角度θを時間系列で逐次変化させることができる。出射角度θを逐次変化させることによって、出射ビームを掃引（スキャン）することができる。

（出射ビームの出射角度を一方向に揃える構成）
出射部から拡散する出射ビームの出射角度を一方向に揃える光学系（シリンドリカルレンズ）を、出射部の出射方向の前方に備える。この光学系によって、出射部から拡散する周期ビームの広がりを一方向に揃えて、出射ビームのビーム品質を向上させることができる。

（出射角度の範囲を広げる構成）
光導波部の両端に、光路切替スイッチ光路を介して２つの光路を切り替え自在に接続する。光路切替スイッチ光路によって２つの光路に入射光を切り替えて入射し、光偏向デバイスの光導波部の両端から入射光を切り替えて入射する。出射角度θは伝搬定数βの向きによっても変わるため、光路切替スイッチを使って第１の周期構造の光導波部に入射する光の向きを変えることによって、出射角度θの角度範囲を広げる。

（２次元ビーム掃引）
本願発明の光偏向デバイスは、出射ビームの角度変化の方向を一方向で行う１次元ビーム掃引に適用する他、出射ビームの角度変化の方向を異なる二方向で行う２次元ビーム掃引に適用することができる。

２次元ビーム掃引を行う第１の形態は、複数の光導波部を平行配置して構成されるアレイ構成と、アレイ構成した複数の光導波部の少なくとも何れか一つに入射光を切り替えて入射する入射光切替スイッチとを備え、アレイ構成の出射方向の前方に出射ビームの出射角度を一方向に揃えるシリンドリカルレンズ等の光学系を配置する。

出射部の方向に依存する第１の出射方向のビーム掃引と、入射光切替スイッチによる光導波部の選択に依存する第２の出射方向のビーム掃引との組み合わせによって２次元ビーム掃引を行う。

２次元ビーム掃引を行う第２の形態は、複数の光導波部を平行配置して構成されるアレイ構成と、アレイ構成した複数の光導波部に位相調整した入射光を入射する位相調整器とからなる位相アレイを備え、位相調整器で各光導波部の入射光の位相調整を行うことによって２次元掃引を行う。

（反射光を用いる装置）
本願発明の光偏向デバイスは、出射光が反射して戻る反射光を受光することができ、反射光を用いた装置に適用することができる。反射光を利用するライダー装置は、光偏向デバイスと、光偏向デバイスにパルス光を入射するパルス光源と、光偏向デバイスで受けた光を検出する光検出部とを備えた構成とすることができる。光偏向デバイスは、出射光の出射とこの出射光に起因する反射光の入射の２方向で光を入出力する。ライダー装置では、出射光の出射と反射光の入射とを、一つの光偏向デバイスで行うことができる。ライダー装置は、光偏向デバイスに向かうパルス光と光偏向デバイスで受けた光とを切り替える切替部を備える構成としてもよい。

切替部の第１の形態は、パルス光源と光偏向デバイスとの間の光導波路に設けられた、一端に光検出部を備えた分岐路で構成することができる。

切替部の第２の形態は、パルス光源と光偏向デバイスとの間の光導波路に設けられた、パルス光源と光検出部との間を切り替える光スイッチで構成することができる。

切替部の第３の形態は、パルス光源と光偏向デバイスとの間の光導波路に設けられた、光導波と光検出とを切り替え自在とする光検出部で構成することができる。

切替部の第４の形態は、パルス光源と光検出部とを兼備し、パルス光の発生と光検出とを切り替え自在とする素子で構成することができ、例えば、パルス光源の半導体レーザに逆バイアスを印加することによってフォトダイオードとして動作させることができる。

以上説明したように、本願発明の光偏向デバイスは、シリコンフォトニクスとの整合性を有し、スローライト効果を発現する漏れ導波路型の光偏向デバイスであり、光ビームを高いビーム品質および大きな偏向角度で出射方向を偏向させることと、シリコンフォトニクスの光集積技術との整合性を共に有することができる。

本願発明の光偏向デバイスの構成を説明するための概略図である。 本願発明の光偏向デバイスの構成例を示す図である。 本願発明の光偏向デバイスの出射角度を制御する構成を説明するための図である。 本願発明の光偏向デバイスの出射ビームの掃引動作を説明するための図である。 フォトニック結晶によるスローライト導波路を説明するための図である。 スローライトの放射条件を説明するための図である。 スローライトの放射条件を説明するための図である。 本願発明の光偏向デバイスの光導波部の構成例を説明するための図である。 本願発明の光偏向デバイスの光導波部の構成例を説明するための図である。 本願発明の光偏向デバイスの出射部の構成例を説明するための図である。 多重周期構造による本願発明の光偏向デバイスの構成を説明するための図である。 本発明の光偏向デバイスのフォトニックバンド、群屈折率ｎ_ｇスペクトル、波長λに対する放射角θ、及び波長λに対する放射損失αを示す図である。 本願発明の光偏向デバイスの出射角度を拡大する構成例を説明ための図である。 本願発明の光偏向デバイスの出射角度を拡大する構成例を説明ための図である。 本願発明の光偏向デバイスの２次元ビーム掃引の構成例を説明するための図である。 本願発明の光偏向デバイスの２次元ビーム掃引の構成例を説明するための図である。 本願発明の光偏向デバイスの反射光を用いた装置への適用を説明するための図である。 本願発明のライダー装置の形態を説明するための図である。

以下、本願発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。以下、図１〜図３を用いて本願発明の光偏向デバイスの概略構成例及び動作を説明し、図４を用いて出射ビームの掃引動作を説明し、図５を用いてフォトニック結晶によるスローライト導波路を説明し、図６，７を用いてスローライトの放射条件を説明し、図８、９を用いて光導波部の構成例を説明し、図１０〜１２を用いて出射部の構成例を説明し、図１３，１４を用いて出射角度を拡大する構成例を説明し、図１５，１６を用いて２次元ビーム掃引の構成例を説明し、図１７を用いて光偏向デバイスの反射光を用いた装置への適用を説明し、図１８を用いて本願発明のライダー装置の形態を説明する。

（光偏向デバイスの概要）
・光偏向デバイスの構成
図１は光偏向デバイスの構成を説明するための概略図である。図１（ａ）は概略構成を説明するための図であり、図１（ｂ）は光偏向デバイスの周期構造の概略を説明するための図である。

図１（ａ）において、光偏向デバイス１は、入射光を伝搬する光導波部２と、光導波部２からの浸み出した光を回折させ、出射角度θで出射ビームを放射する出射部３とを備える。

図１（ｂ）において、光偏向デバイス１は、屈折率が周期的に変化する屈折率の周期構造を備える。周期構造は第１の周期構造と第２の周期構造の２つの周期構造を備える。

第１の周期構造は、シリコン基材の第１の屈折率媒質に対して周期ａで第２の屈折率媒質を備え、周期方向の少なくとも一端を入射端とする光導波部２を構成する。

第２の周期構造は、第１の屈折率媒質に第１の周期構造の周期ａよりも長い周期Λ（ａ＜Λ＜２ａ）で第２の屈折率媒質を備え、周期方向の側端を出射端とする出射部３を構成する。第１の屈折率媒質は、例えば、第２の屈折率媒質よりも高い屈折率の屈折率媒質を選択することができる。

第２の周期構造は、光導波部２の伝搬光の浸み出し距離以内に近接して配置され、第１の周期構造を伝搬する伝搬光の電界強度分布の周辺部に配置される。第１の周期構造の周期ａは、第１の周期構造を伝搬する伝搬光の等価屈折率をｎ、ブラッグ波長付近の波長をλとしたとき、ａ＝λ/２ｎの関係で表される。

光偏向デバイス１の周期構造は、シリコンフォトニクスの光集積技術によって形成することができる。

光導波部２を伝搬する伝搬光から浸み出た光は、出射部３の第２の周期構造と結合して出射角度θで回折され、出射ビームとして放射される。

図２は光偏向デバイス１の構成例を示している。図２（ａ）において、光偏向デバイス１の光導波部２は、第１の屈折率媒質の上部クラッド２ｂと下部クラッド２ｃとの間に、第２の屈折率媒質を周期ａで配置して構成されるスローライト導波路２ａを備える。スローライト導波路２ａは、第１の屈折率媒質の屈折率のクラッドに対して第２の屈折率媒質を周期ａで周期配置してなる第１の周期構造で形成される。第１の屈折率媒質は第２の屈折率媒質よりも高屈折率の媒質を選択することができる。屈折率が大きな材料を深くエッチングするなどによって形成した刻みが大きな周期構造に対して、この周期構造を伝搬する方向から光を入射させると、群速度が小さい光（スローライト）が発生する。スローライト導波路２ａは、一端から入射した入射光を低群速度のスローライトモードで伝搬する。

光偏向デバイス１の出射部３は、上部クラッド２ｂに隣接した位置に表面回折格子３ａを備える。表面回折格子３ａは周期Λの凹凸形状を備える。周期Λの凹凸形状は、表面回折格子３ａを構成する屈折率媒質の屈折率ｎと空気等の外部媒質の屈折率ｎ_ｏｕｔとの間で周期Λの第２の周期構造を構成する。

第１の周期構造によるスローライト導波路２ａのスローライトは、光の波長λや導波路の屈折率ｎなどの伝搬状況のわずかな変化によって伝搬定数βが大きく変化する。このような光は、周囲に電磁界の拡がり（浸み出し成分）を持ちながら伝搬する。この浸み出し成分にわずかに触れるような距離に、屈折率が小さな材料や浅いエッチングなどによって形成される刻みが小さな周期構造（第２の周期構造）を備えた出射部３を配置すると、スローライトはこれに結合して散乱・回折が行われ、上方や斜め方向に徐々に放射される。放射は、導波路進行方向に沿って広い範囲で起こり、かつ位相が揃っている。そのため、光偏向デバイスを伝搬方向に沿った横方向から見たとき、出射ビームは高品質な鋭い光ビームとなる。

入射光の波長λや、第１の周期構造を構成する屈折率媒質の屈折率ｎを変えると、光導波部２の伝搬定数βが変わり、出射部３の第２の周期構造との結合条件が変わる。その結果として、出射ビームの出射角度θが変わる。

回折格子の光は必ずしも上斜め方向だけでなく、下斜め方向にも放射される。光偏向デバイスの構造は上下非対称であるため、全く同じ強度の光が放射されるわけではないが、下斜め方向の放射も発生する。図２（ｂ）は、上斜め方向の放射を上方向回折光とし、下斜め方向の放射を下方向回折光として示している。

光偏向デバイス１は、下部クラッド２ｃの下方に反射部を備える構成としてもよい。図２（ｃ），図２（ｄ）は、反射部を備える構成例を示している。

図２（ｃ）に示す構成例は、構造の基板としてＳｉなどの高屈折率媒質がある場合を示している。ここでは下方向の放射光が下部クラッド２ｃと高屈折率基板４０との間の境界面で反射され、上斜め方向に戻される。下部クラッド２ｃの厚さを最適化し、反射した光とあらかじめ上斜め方向に放射される光が強め合う干渉を起こすようにすれば、全体として上斜め方向への放射を強めることができる。図２（ｄ）に示す構成例は、基板４１と下部クラッド２ｃの間に金属反射鏡や多層膜反射鏡等の反射鏡４２を挿入し、上斜め方向への放射をさらに高めた構成である。

（出射角度の制御）
次に、スローライトによる出射角度θの制御について説明する。
・出射角度の変化
群速度が小さい光であるスローライトの伝搬定数βは光の波長λや第１の周期構造を構成する屈折率媒質の屈折率ｎに依存して変化する。このスローライト光が第２の周期構造に結合すると、伝搬定数βがβ_N=β−(２π/Λ)Ｎに変換される。ここでＮは整数である。

この変換された伝搬定数β_Nの値が面水平方向の波数となって、自由空間に光が放射される。自由空間の光の波数をｋ_０=2π/λとすると，面垂直方向を０°とする出射角度θは
θ=sin^−１(β_Ｎ/ｋ_０)=sin^−１ｎ_Ｎ …（１）
となる。ここでｎ_Ｎ＝β_Ｎ/ｋ₀としている。

式（１）から光が放射される条件はｎ_Ｎ≦１であり、伝搬定数βは以下の式（２）で表される。
β−（２π/Λ)Ｎ≦ｋ_０ …（２）

以下、上記式（１）、（２）に基づいて波長λや屈折率ｎに対する出射角度θの感度を求める。

［波長λに対する出射角度θの感度］
波長λに対する出射角度θの感度は以下の式（３）で表される。
dθ/dλ＝(β_Ｎ+λdβ/dλ)/[２π√{1−(β_Ｎ/ｋ_０)^２}]
＝(ｎ_Ｎ＋ｎ_ｇ)/[λ√(1−ｎ_Ｎ ^２)] …（３）
ここで、ｎ_ｇはスローライト導波路の群屈折率（群速度の低下率）である。

一般にｎ_ｇは、cを真空中の光速としωを光の角周波数とすると、
ｎ_ｇ＝c・dβ/dω＝(λ^２/２π)・dβ/dλ
で与えられるが、スローライト導波路ではｎ_ｇが数十以上の大きな値である。

一方、結合によって変換された伝搬定数β_Ｎに係る出射部の屈折率ｎ_Ｎはｎ_Ｎ＜１であり、ｎ_ｇ＞＞ｎ_Ｎとみなすことができるため、式（３）は以下の式（４）で表すことができる。

式（４）は、スローライト導波路によって群屈折率ｎ_ｇが大きくなると、群屈折率ｎ_ｇにほぼ比例して出射角度θの波長感度が高まり、わずかな波長λの変化に対して出射角度θが大きく変化することを示している。

［屈折率ｎに対する出射角度θの感度］
屈折率ｎに対する出射角度θの感度は以下の式（５）で表される。
dθ/dｎ＝^*(ｎ_ｇ/ｎ)/[√(1−ｎ_Ｎ ^２)]・(dλ/dｎ)/(λ/ｎ)
＝^*ｎ_ｇ/[ｎ√(1−ｎ_Ｎ ^２)] …（５）

式（５）は、スローライト導波路によって群屈折率ｎ_ｇが大きくなると群屈折率ｎ_ｇにほぼ比例して出射角度θの波長感度が高まり、わずかな屈折率ｎの変化に対して出射角度θが大きく変化することを示している。

したがって、出射角度θは、波長λ及び屈折率ｎのわずかな変化によって大きく変化させることができる。

・出射角度制御の構成
図３，図４は、本願発明の光偏向デバイスの出射角度を制御する構成を説明するための図である。

図３（ａ）は、光偏向デバイスの出射角度を制御する構成例の概略図である。図３（ａ）において、光偏向デバイス１は、２つの周期構造を備える光導波部２及び出射部３に加えて、光導波部２に入射する入射光の波長λを制御する波長制御部４、光導波部２及び／又は出射部３の屈折率ｎを制御する屈折率制御部５、波長制御部４及び屈折率制御部５を制御する出射角度制御部６を備える。

出射角度制御部６は、波長制御部４と屈折率制御部５の何れか一方の制御部、あるいは両制御部を制御し、波長及び／又は屈折率を制御することによって出射角度を制御する。

図３（ｂ）は、光偏向デバイスの出射角度を制御する光導波部と出射部の構成例を説明するための概略図である。なお、ここでは、第１の屈折率媒質を高屈折率媒質とし、第２の屈折率媒質を低屈折率媒質とする例を示している。

図３（ｂ）において、光導波部２は上下のクラッドで構成される高屈折率媒質２１と、クラッド内に周期的に設けられた低屈折率媒質２２とによってスローライト導波路を構成する。光導波部２は、屈折率媒質の屈折率を制御する屈折率変更部２３を備える。

出射部３は高屈折率媒質３１と、高屈折率媒質３１内に周期的に設けられた低屈折率媒質３２とによって構成する。出射部３は、屈折率媒質の屈折率を制御する屈折率変更部３３を備える。

屈折率変更部２３及び屈折率変更部３３は、例えば、ヒーターやｐ−ｎ接合で構成することができ、ヒーターによる温度制御やｐ−ｎ接合による電圧印加によってキャリア密度を変えて光導波部の屈折率ｎを変更する。なお、ここで、屈折率ｎは、高屈折率媒質の屈折率と低屈折率媒質の屈折率で定まる光導波部の屈折率である。

図４において、図４（ａ）は波長λ及び屈折率ｎによる出射角度θの変化を模式的に示し、図４（ｂ），４（ｃ），４（ｄ）は出射角度θ、波長λ、屈折率ｎの変化例を示している。

図４の例では、波長λや屈折率ｎを時系列的に段階的に変化させる例を示している。この変化によって、出射角度θは時系列的に段階的に変化し、出射ビームは離散的な照射点に放射される。光が漏れ出す長さに加えて、波長λや屈折率ｎの変化量を調整することによって出射ビームの解像点数を調整することができる。なお、ここで、出射ビームの解像点数は、所定間隔内に照射される点数であり、離散的な照射点の照射密度に相当するものである。

出射角度θは、波長λや屈折率ｎの他に、光導波部を伝搬する光の伝搬定数βの向きによっても変化させることができ、光路切替スイッチを使って光導波部に入射する光の向きを変えることによっても出射角度θを変えることができ、出射角度θの角度の変更範囲を拡大することができる。

（フォトニック結晶によるスローライト構造）
次に、フォトニック結晶によるスローライト構造について、スローライト導波路及び回折格子の構成例を図５〜７を用いて説明する。なお、ここでは、第１の屈折率媒質を高屈折率媒質とし、第２の屈折率媒質を低屈折率媒質とする例を示している。

・第１の周期構造及びスローライト導波路：
スローライトを発生させる第１の周期構造の例として、フォトニック結晶導波路が考えられる。図５（ａ）〜図５（ｃ）はフォトニック結晶導波路による第１の周期構造例を示し、図５（ａ），５（ｂ）は１次元のフォトニック結晶導波路を示し、図５（ｃ）は２次元のフォトニック結晶導波路を示している。

図５（ａ）の１次元フォトニック結晶導波路２Ａは、半導体などの高屈折率媒質からなる矩形チャネル導波路（Ｓｉ細線など）に円孔を周期的に配列する構成例であり、図５（ｂ）の１次元フォトニック結晶導波路２Ｂは、高屈折率媒質の矩形チャネル導波路を周期的に分離する構成例である。

この構成では、ａ＝λ/２ｎを満たすブラッグ波長付近でフォトニックバンドギャップ（ストップバンド）を生じ、その付近の規格化周波数a/λにおいてdβ/dλ∝ｎ_ｇが徐々に大きくなり、スローライトが生じる。

円孔配列タイプの場合では、例えば、λ＝^*１５５０ｎｍに対してＳｉの厚さは２００ｎｍ程度，幅は４００ｎｍ程度，円孔直径は２００ｎｍ程度，周期ａ＝４００ｎｍ程度とすることができる。

図５（ｃ）の２次元フォトニック結晶導波路２Ｃは、同様の厚さの半導体（Ｓｉなど）スラブに同様の円孔を２次元周期的に例えば三角格子配列で配列し、配列の一列の円孔を取り除いた構成である。この２次元フォトニック結晶導波路２Ｃの構造においても、ブラッグ波長付近ではフォトニックバンドギャップが生じ、群屈折率ｎ_ｇが大きくなってスローライトが生じる。

１次元フォトニック結晶導波路及び２次元フォトニック結晶導波路のいずれの構造においても、ブラッグ波長ではｎ_ｇ＞100の大きなスローライト効果が生じるが、ブラッグ波長から離れると徐々にｎ_ｇは小さくなる。なお、１次元フォトニック結晶導波路に比べると、２次元フォトニック結晶導波路の方がより広い波長範囲で大きなｎ_ｇを維持することができる。

図５（ｄ）はシリカクラッドに挟まれた２次元フォトニック結晶導波路を示す斜視図である。この構成例は、シリカクラッドを形成した２次元のフォトニック結晶導波路の表面に、第２の周期構造となる表面回折格子を形成している。２次元フォトニック結晶導波路と表面回折格子の間のクラッドの厚さを調整することによって、両者の結合の度合いを変えることができ、適切な速度の光放射を得ることができる。

・スローライトの放射条件
以下、周期構造によるスローライトの放射条件について説明する。図６（ａ）は第１の周期構造による放射条件を説明するための図であり、第１の周期構造のみのフォトニックバンドを示している。

図６（ａ）において、濃く示した領域部分は空気への放射条件を示し、薄く示した領域部分はクラッドへの放射条件を示している。また、太い実線は第１の周期構造に結合して非放射で正方向に伝搬するスローライトのフォトニックバンドを示し、導波路モードを形成する。一方、細い実線は第１の周期構造だけで空気あるいはクラッドと結合してしまうので、その放射によってそもそもスローライトが伝搬できないフォトニックバンドを示している。なお、破線は逆方向に伝搬する光を示している。

図６（ａ）に示す第１の周期構造のみを備える構成では、図６（ａ）中で太い実線で示す伝搬定数の範囲では光は放射されることなく伝搬し、濃い領域で示す伝搬定数の範囲では空気中に放射され、薄い領域で示す伝搬定数の範囲ではクラッドに放射される。

・第２の周期構造及び放射モード：
第２の周期構造の周期Λは様々な値を取り得るが、典型例はΛ＝２ａである。図６（ｂ）は第２の周期構造の周期Λが２ａであるときのフォトニックバンドを示している。この周期構造では、第２の周期構造がもつ波数ベクトル２π/Λによるバンドシフトによって、導波路モードの波数は、空気への放射モード領域の放射条件に変換され、進行方向と同じ方向の斜め上方に放射される光に変換される。

したがって、第２の周期構造の周期Λが２ａである構成では、第１の周期構造を伝搬するスローライトは第２の周期構造の放射条件によって空気中に放射される。

第２の周期構造の周期ΛがΛ＝２ａの条件からずれた場合には、放射が起こらないか、あるいは複数の方向に放射する。以下、周期Λと周期ａとの関係における放射について説明する。

(a) Λ＜ａの場合：
放射条件を満たさないため、光は放射されない。
(b) ａ＜Λ＜２ａの範囲：
斜めの方に放射される。
(b1) Λ＜４ａ/３の場合：
図７（ａ）はΛ＜４ａ/３の場合を示している。この周期Λでは、一部の波長は空気への放射条件を満たさなくなる。
(b2) Λ＝^*４ａ/３の場合：
図７（ｂ）はΛ＝^*４ａ/３の場合を示している。この周期Λでは、全てのスローライトモードが空気への放射条件に入り、複数の放射は起こらない。スローライトモードは負方向の放射条件の縁にあるので、放射は進行方向とは逆方向の水平近い角度で偏向される。
(b3) ４ａ/３＜Λ＜２ａの場合：
図７（ｃ）は４ａ/３＜Λ＜２ａの場合を示している。この周期Λでは、複数の放射が起こる。
(b4) Λ＝２ａの場合：
図７（ｄ）はΛ＝２ａの場合を示している。この周期Λでは、再びスローライトモードが全て放射条件となり、かつ複数の放射は起こらない。
(b5) Λ＞２ａの場合：
図７（ｅ）はΛ＞２ａの場合を示している。この周期Λでは、フォトニックバンドの折り返し回数が多くなるので、放射条件が多数現れる。

したがって、単一の出射ビームを形成して偏向する場合には、第２の周期構造の周期Λは、ａ＜Λ＜２ａの範囲：
Λ＝^*４ａ/３、又はΛ＝２ａの条件を満たすものが好適である。

（出射ビームの偏向角）
次に、波長λや屈折率ｎが十分に変えられる状況で得られる最大の偏向角について説明する。

図６，７のフォトニックバンド特性によれば、Ｓｉスラブで構成される２次元フォトニック結晶導波路の場合には、スローライトモードのフォトニックバンドはおよそａ/λ＝^*0.25に現れる。このとき、Ｓｉの上下のクラッドの屈折率をｎ_ｃとすると、スローライトのβは以下の値を取り得る。
β＝（２π/ａ）Ｎ−0.25ｎ_ｃ(２π/ａ)〜(２π/ａ)Ｎ−0.50（２π/ａ）
＝^*（４Ｎ−ｎ_ｃ）ｋ_０〜(４Ｎ−２)ｋ_０ …（６）
ここで、ｎ_ｃは放射条件を決める上下クラッドの屈折率である．

・Λ＝２ａの場合：
Λ＝２ａの場合には、スローライトのβは２π/Λ＝２π/２ａ＝^*２ｋ_０によって波数変換されるので、以下の式（７）で表される。
β_Ｎ＝^*（４Ｎ−ｎ_ｃ）ｋ_０〜（４Ｎ−４）ｋ_０ …（７）

ここで、スローライトにおいて通常に用いられるＮ＝１とした場合には、β及びｎは以下の式（８）、（９）で表され、出射角度θは以下の式（１０）で表される。
β₁＝^*（２−Ｎ_Ｃ）ｋ_０〜０ …（８）
ｎ_Ｎ＝ｎ_１＝β_１/ｋ_０＝^*（２−ｎ_ｃ）〜０ …（９）
θ＝sin^−１ｎ_１＝sin^−１（２−ｎ_ｃ）〜０ …（１０）

空気クラッド（ｎ_ｃ=１）をもつエアブリッジ構造を採用した場合には、θ=90°〜0°が理想状態での偏向できる範囲になる。また、シリカクラッド（ｎ_ｃ＝1.45）を採用した場合には、θ=33°〜0°となる。

・Λ＝４ａ/３の場合：
Λ＝４ａ/３の場合には、スローライトのβが２π/Λ＝３π/２ａ＝^*３ｋ_０によって波数変換されるので、以下の式（１１）で表される。
β_Ｎ＝^*（４Ｎ―３―ｎ_ｃ）ｋ_０〜(４Ｎ−５)ｋ_０ …（１１）

ここで、スローライトで通常に用いられるＮ＝１とした場合には、β及びｎは以下の式（８）、（９）で表され、出射角度θは以下の式（１４）で表される。
β_１＝^*−（ｎ_ｃ−１）ｋ_０〜−ｋ_０ …（１２）
ｎ_Ｎ＝ｎ_１＝β_１/ｋ_０＝^*−（ｎ_ｃ−１）〜−１ …（１３）
θ＝sin^−１ｎ_１＝sin^−１[−（ｎ_ｃ−１）]〜−１ …（１４）
空気クラッドではθ＝0°〜−90°となり、シリカクラッドではθ＝−27°〜−90°となる。

［偏向に必要となる波長や屈折率の変化］]
スローライトの伝搬条件を満たす波長範囲は、フォトニック結晶導波路がエアブリッジ構造の場合にはλ＝^*１５５０ｎｍ付近で３５ｎｍ程度の範囲であり、シリカクラッドの場合では１５ｎｍ程度である。これらの範囲において、前記したような最大のビーム偏向が得られる。

これらの可変波長は、デスクトップ型の可変波長レーザ装置や、可変波長レーザ小型モジュールにおいて実現されている。

一方、波長λを固定して屈折率ｎを変えることで偏向の角度範囲を変える場合には、バンドが周波数方向（これは波長方向と言ってもよい）にシフトした際の伝搬定数βの変化によって生じる。波長の変化幅３５ｎｍに相当する屈折率ｎの変化は、例えばＳｉを材料として用いたときには0.085である。この屈折率の変化は約470℃の加熱で実現することできる。また、波長の変化幅１５ｎｍに相当する屈折率ｎの変化は0.036であり、この屈折率の変化は約200℃の加熱で実現することができる。この加熱範囲は、シリコンフォトニクス技術を利用することで可能な範囲である。

ただし、波長λを変える場合において、短波長側では群屈折率ｎ_ｇが小さいため、出射角度θの変化は小さい。一方、長波長側では群屈折率ｎ_ｇが大きいため、出射角度θも急激に変化する。屈折率ｎを変える場合においても、波長λの場合と類似の特性を示す。例えば、波長λをスローライトの伝搬帯域の短波長側に固定し、屈折率ｎを増大させると、最初は群屈折率ｎ_ｇが小さく出射角度θの変化は小さいが、徐々に群屈折率ｎ_ｇが大きくなり、出射角度θの変化も増大する。

波長λや屈折率ｎに対する出射角度θの変化はこのように非線形であるが、波長λや屈折率ｎに対して群屈折率ｎ_ｇが一定であれば、出射角度θは線形に近い変化となる。２次元フォトニック結晶導波路の場合には、特定の波長範囲において、群屈折率ｎ_ｇを大きな値で一定値とすることができる。

図８は、群屈折率ｎ_ｇを一定値とすることができる構成例を示している。２次元フォトニック結晶導波路２Ｄは円孔を過剰に大きくする構成例を示し、２次元フォトニック結晶導波路２Ｅは光導波部のコア部の幅を狭くする構成例を示し、２次元フォトニック結晶導波路２Ｆは特定の円孔列の円孔の大きさを変える構成例を示し、２次元フォトニック結晶導波路２Ｇはコア部の屈折率のみを高くする構成例を示し、２次元フォトニック結晶導波路２Ｈは特定の円孔列（格子）位置をシフトさせる構成例を示している。

図９（ａ）はシリカクラッドフォトニック結晶導波路の円孔列を導波路に沿ってシフトさせた構成を示し、２列目の格子をシフトさせた構成である。図９（ｂ）は実験的に測定された群屈折率スペクトルを示し、波長１５５０ｎｍ付近の約１０ｎｍの範囲で、群屈折率ｎ_ｇはｎ_ｇ＝50でほぼ一定となる波長範囲が得られる。

この群屈折率ｎ_ｇはＳｉ細線導波路の群屈折率ｎ_ｇの１２倍である。このような一定の群屈折率ｎ_ｇを採る区間では、出射角度θは波長λや屈折率ｎに対して線形変化するので、出射角度θの制御を容易に行うことができる。

このとき、ａ/λ、及びβは、それぞれ
ａ/λ＝^*0.258
β＝0.55（２π/ａ）〜0.63（２π/ａ）＝^*2.13ｋ_０〜2.44ｋ_０
で計算される。

第２の周期構造の周期ΛをΛ＝４ａ/３＝^*０．３４４λ＝５３３ｎｍ（λ＝１５５０ｎｍ）とすると、屈折率ｎ_１及び出射角度θは以下の値となる。
ｎ_１＝−0.87〜−0.56
θ＝−60°〜−34°

この場合、周期Λを４ａ／３よりやや小さくすることによって大きな偏向角が得られる。Λ＝1.24ａとすると、スローライトの伝搬定数βは、
π/Λ＝（２π/λ)(λ/a)(a/Λ)＝2.13+1
によって波数変換され、屈折率ｎ_１及び出射角度θは以下の値となる。
ｎ_１＝−1〜−0.69
θ＝−90°〜−44°
この場合、波長１５５０ｎｍ付近で１０ｎｍの範囲で波長変化させるだけで偏向角90−44=46°の範囲を実現することができる。

スローライト導波路はフォトニック結晶導波路のほかに、フォトニック結晶共振器やリング共振器を多数並べて相互結合させた結合共振器導波路としてもよい。また、層厚方向に多層膜を形成し、一つの層の厚みを厚くして導波路とする積層導波路と、フォトニック結晶導波路とを融合した構成に適用することができる。

（回折格子）
次に、図１０を用いて回折格子の構成例について説明する。
第２の周期構造による出射部３を構成する回折格子は，表面回折格子のほかに、他の構造とすることができる。

図１０において、エアブリッジ型回折格子３Ｂはエアブリッジ型スローライト導波路の上に空気層を介して回折格子を配置する構成例であり、エアブリッジ型回折格子３Ｃはクラッド埋め込み型スローライト導波路の上に空気層を介して回折格子を配置する構成例であり、回折格子３Ｄはスローライト導波路の上部クラッドの上に屈折率が異なる層（ＳｉＮなど）に凹凸形状を設けて回折格子を形成する構成例であり、回折格子３Ｅは上クラッド内に屈折率が異なる層（ＳｉＮなど）に凹凸形状を設けた回折格子を埋め込んだ構成例であり、回折格子３Ｆは下クラッド内に屈折率が異なる層（ＳｉＮなど）に凹凸形状を設けた回折格子を埋め込んだ構成例であり、回折格子３Ｇは下部クラッドの下の層（Ｓｉ基板など）に凹凸形状を直接刻んだ構成例である。

また、回折格子３Ｈはフォトニック結晶導波路の両側に凹凸形状を形成した構成例である。フォトニック結晶導波路では導波路コアの両翼に有限数の円孔配列が配置されている。この構成例では、円孔配列の列数を適度に減らせば光が外側に浸み出すので、光が浸み出る箇所に回折格子を形成することによって光を放射させることができる。

回折格子３Ｉはフォトニック結晶導波路の表面に浅い凹凸形状を形成した構成例である。ここで、回折格子は通常の１次元周期構造とする他に，円孔配列周期が異なるフォトニック結晶を配置してもよく、さらに、フォトニック結晶導波路上に直接に異なる周期の浅い凹凸を形成する構成としてもよい。

回折格子３Ｊはフォトニック結晶の周期自体に別の周期を重畳させ、フォトニック結晶自体を多重周期構造にする構成例である。

フォトニック結晶自体を多重周期構造にする構成例は、スローライト導波路としてフォトニック結晶導波路を用いて、導波路と光放射機構とを一つの機構で構成する。フォトニック結晶導波路は、導波路の左右を円孔配列したフォトニック結晶で挟むことにより光を反射させて伝搬させ、導波路を構成する。

多重周期構造による光偏向デバイスは、フォトニック結晶の面内に、導波路を形成する導波路に沿って２種類の異なる直径の円孔を繰り返す二重周期構造を備える。

なお、図１０に示した回折格子の例では、凹凸形状を山型の形状で描いているが、この山型形状に限らず任意の形状としてよい。

図１１は図１０中の３Ｊの多重周期構造による光偏向デバイスの構成を説明するための図である。
光偏向デバイス１は、Ｓｉ等の半導体などの高屈折率媒質からなるスラブに、ＳｉＯ_２等の低屈折率媒質の円孔３ｂ，３ｃを２次元周期的に例えば三角格子配列で配列し、一部の配列の円孔を取り除いた構成であり、円孔を取り除いた部分は２次元フォトニック結晶による導波部を構成すると共に、放射光ビームを放射する出射部を構成する。

光偏向デバイス１は、光伝搬方向に対して２種類の異なる直径２ｒ_１と２ｒ_２の円孔３ｂ，３ｃを繰り返す二重周期構造４を備える。この二重周期構造４によって、同径の円孔を配列してなる周期構造では非放射となるスローライト伝搬光が放射条件に変換され、空間に放射される。

光偏向デバイスが備える二重周期構造は、大径の円孔を繰り返す周期構造と、小径の円孔を繰り返す周期構造とを備える。基準の円孔の直径を２ｒとし、直径の相違幅を２Δｒとしたとき、大径の円孔の直径２ｒ_１は２（ｒ＋Δｒ）であり、小径の円孔の直径２ｒ_２は２（ｒ−Δｒ）である。また、隣接する大径の円孔３ｂと小径の円孔３ｃとの中心間間隔をａとしたとき、各周期構造の円孔の間隔Λは２ａである。

光偏向デバイス１のサイズ例は、例えば、a＝４００ｎｍ、２ｒ＝２１０ｎｍとし、また隣接する円孔３ｂと円孔３ｃとの間隔ｓ_３は８４ｎｍである。なお、このサイズは１例であって、この数値に限られるものではない。

また、図１１に示す光偏向デバイスの構成例において、３列目シフト型シリカクラッドSiLSPCWを用いたデバイスや、２列目シフト型LSPCWを用いたデバイスの構成とすることができる。ｎgが大きな２列目シフト型LSPCWによれば、光偏向角Δθの増大が期待される。

図１２（ａ）〜（ｄ）は、本発明の多重周期構造による光偏向デバイスにおいて、フォトニックバンド、群屈折率ｎ_ｇスペクトル、波長λに対する放射角θ、及び波長λに対する放射損失αを示している。なお、図１２（ｃ）の放射角θは、面垂直方向（図１１ｚ方向）をθ＝０°としている。

図１２（ａ）において、二重周期構造を備える本発明の光偏向デバイスにおいて、光伝搬特性を表すフォトニックバンドは、円孔の直径ｒが２Δｒ分だけ変化した場合においても、円孔の直径が２ｒで一様である場合と同様に変化しない。また、群屈折率ｎ_ｇにおいても、図１２（ｂ）に示すように径変化Δｒに対して変化せず、ｎ_ｇがほぼ２０の広帯域で低分散のスローライトが生じることを示している。光伝搬特性の特性は、光の伝搬方向に対して伝搬定数βが変わらず、図１２（ｃ）に示す様に、放射される光の角度θが変わらないことを示している。

一方、図１２（ｂ）において、光の放射損失αは、円孔の直径２ｒをΔr変化させることによって変えることができる。図１２（ｂ）では、Δｒが５ｎｍ，１０ｎｍ，１５ｎｍ，２０ｎｍである例を示し、Δｒが増加すると放射損失αが増加することを示している。放射損失αは、光搬送路から伝搬光が面外に漏れ出す率を表し、Δｒが大きい程、面外に放射される放射光ビームの強度が増す。

図１２（ｃ）に示す波長λに対する放射角θにおいて、放射角θはフォトニックバンドを反映するためΔｒ依存性は小さい。図１２（ｃ）には示していないが、スローライト効果とシリカクラッド／空気境界面での屈折により、波長変化Δｒ＝２７ｎｍに対して３０°近い光偏向角Δθが得られる。

図１２（ｄ）に示す波長λに対する放射損失αにおいて、ｎgが大きな２列目シフト型LSPCWを使えば、さらに放射損失αの増大が期待される。一方、放射損失αはΔｒが大きいほど増加する。したがって、Δｒの制御により、放射角度や伝搬方向への伝搬定数等の他の性質はあまり変化しない光放射量の制御が可能である。

（偏向角を調整する構成）
以下、出射ビームの偏向角を調整する構成について、図１３，１４を用いて説明する。

・偏向角の範囲を拡大する構成：
図１３は光偏向デバイスに対する入射光の入射方向を切り替えることによって偏向角の範囲を拡大する構成例を示している。

第１の周期構造の周期ａと第２の周期構造の周期Λとの間にΛ＝２ａの関係があるとき、出射ビームの偏向角（出射角度）θは0°以上である。入射光の光偏向デバイスに対する入射方向を逆方向で導入すると、出射ビームの出射方向は左右対称になる。よって、入射光を入射す方向を光路切り替えスイッチ７で切り換えることによって、0°を中心として±90°、又は±33°の範囲で拡大することができる。

図１３（ａ）において、光偏向デバイス１には、両端の入力端に光路８ａ，８ｂが接続される。光路切り替えスイッチ７は、入射光を光路８ａ又は光路８ｂに切り替える。光偏向デバイス１には、光路８ａ又は光路８ｂから入射方向を切り替えられた光が、光偏向デバイスに対して互いに逆方向で入射される。

図１３（ｂ）に示す構成例は、図１３（ａ）と同様の構成においてΛ＝４ａ/３である場合を示している。この場合には、出射ビームの偏向角（出射角度）θは−90°付近の偏向となる。逆向きの入射に対しては90°付近となる。したがって、出射ビームは0°に対して正方向と負方向の両方向に偏向角範囲を備えることになる。

図１３（ｃ）に示す構成例は、二つの光偏向デバイス１ａ，１ｂに対して光路切り替えスイッチ７，７ａ，７ｂによって入射光を切り替えて入射する構成である。

光偏向デバイス１ａに対して、一方の入射端には光路切り替えスイッチ７，７ａを介して光路８ｃが接続され、他方の入射端には光路切り替えスイッチ７，７ｂを介して光路８ｅが接続される。また、光偏向デバイス１ｂに対して、一方の入射端には光路切り替えスイッチ７，７ａを介して光路８ｄが接続され、他方の入射端には光路切り替えスイッチ７，７ｂを介して光路８ｆが接続される。なお、光路切り替えスイッチ７と光路切り替えスイッチ７ａとの間は光路８ａで接続され、光路切り替えスイッチ７と光路切り替えスイッチ７ｂとの間は光路８ｂで接続される。

この構成によれば、光路切り替えスイッチ７，７ａ，７ｂによって光偏向デバイス１ａ，１ｂへの入射光をそれぞれ切り替えることによって、全方位の偏向が可能になる。

・光の広がりを抑制する構成：
図１４は光偏向デバイスから出射される光の広がりを光学系レンズを介して抑制する構成を示している。

光偏向デバイス１の出射部３から出射される光ビームは、導波路を光伝搬方向に沿った真横から見たときには鋭いビームとなるが、光伝搬方向に直交する導波路断面を見たときには左右に大きく拡がる。図１４（ａ）は、出射部３の出射側にシリンドリカルレンズ９ａを適切な距離をおいて配置し、光の広がりを抑制する。シリンドリカルレンズ９ａは、導波路に沿った方向には一様の厚さを備え、導波路と直交する方向には厚さを変えた湾曲形状である。この形状によって、出射部３から出射される光の左右の広がりは抑えられ、これによって単一峰のビームが作り出される。図１４（ｂ）に示す構成は、スローライト導波路をプラスチックモールド９ｂなどの光学部材中に埋め込み、光学部材の表面にシリンドリカルレンズ加工を施す構成であり、図１４（ａ）のシリンドリカルレンズと同様の効果が得られる。

シリンドリカルレンズについては，光偏向デバイスの上部に配置して実装する形態のほかに、光偏向デバイスの上部に厚いＳｉＯ_２クラッドやポリマークラッドを形成し、そのクラッドの表面をレンズ形状に加工する形態としてもよい。

（２次元掃引の構成）
以下、出射ビームを２次元的に掃引する構成について、図１５，１６を用いて説明する。

・アレイ構成とシリンドリカルレンズとの組み合わせ：
図１５はスローライト導波路のアレイ構成とシリンドリカルレンズとの組み合わせによって、２次元的なビーム掃引を行う構成例を示している。

図１５（ａ）において、スローライト導波路と回折格子とを並行に多数本配置してアレイ集積１３を構成し、アレイ集積１３の出射側の出射方向にはシリンドリカルレンズ９が配置される。各スローライト導波路には光増幅器や位相調整器１２が接続される。この位相調整器１２には切り替え部１１が接続され、切り替え部１１によって入射導波路１０からの入射光を切り替えて光を入射するスローライト導波路を選択し、位相調整器１２で位相調整した後に選択したスローライト導波路に入射する。切り替え部１１は光路切り替え光スイッチ、又は波長分波器を用いることができる。

切り替え部１１によってスローライト導波路の内の１本を選択することによって、入射導波路１０により入射した入射光は何れかのスローライト導波路から出射される。このとき、図１５（ｂ）に示す様に、シリンドリカルレンズ９ａに対する出射ビームの相対位置が変わるため、シリンドリカルレンズ９ａから出る出射ビームの断面内の角度が変化する。

導波路が細いときには放射される光の広がりが特に大きくなる。そのときには、図１５（ｃ）に示す様に、それぞれの回折格子の上にまず小さなシリンドリカルレンズアレイ９ｃを配置して、放射される光の広がりを抑制し、その後に大きなシリンドリカルレンズ９ａに光を入射させる構成によって図１５（ｂ）と同じ機能を実現することができる。

この構成において、入射光の波長を広範囲にわたって連続的に掃引すると共に、波長分波器によって導波路を順次切り替えることによって、あるいは、時系列で波長が変化する光を光路切り替えスイッチによって導波路を順次切り替えることによって、各スローライト導波路において出射ビームの出射角度θを波長に応じて変えられるように設計する。この構成によって、２次元的な光ビームの角度の掃引を実現することができる。

入射光の波長の掃引に代えて、ヒーターやｐ−ｎ接合による光スイッチによって導波路を切り替えると共に、ヒーターやｐ−ｎ接合によってスローライト導波路からの出射ビームの出射角度θを変えても同様の効果を得ることができる。

スローライト導波路の切り替えを波長分波器で行い、出射ビームの偏向をヒーターやｐ−ｎ接合で行う構成のほか、スローライト導波路の切り替えをヒーターやｐ−ｎ接合で行い、出射ビームの偏向を波長分波器で行う構成としてもよい。

図１５（ａ）は導波路アレイの中の一つの導波路を選択する構成である。これに対して、図１６に示す構成例は、アレイ状に配置したスローライト導波路に長さが異なるヒーターやｐ−ｎ接合を設けたアレイ集積１５に位相調整器１２を接続し、入射導波路１０からの入射光をパワー分配器１４を介して各導波路に向けて分配し、各分配光をそれぞれ位相調整した後、スローライト導波路に入射する。

アレイ集積１５は、全てのスローライト導波路に光が入射され、徐々に異なる位相変化が与えられる位相アレイを構成している。この構成によって、鋭いビーム放射と位相変化による偏向角の変化とが実現される。この位相アレイ構成は、位相が異なる複数の光が同時に出射されることで出射ビームが形成されるため、シリンドリカルレンズは不要である。

図１６（ａ）における入射光のパワー分配は、中央の導波路が強く、周囲の導波路になるごとに徐々に弱くなり、そのパワー分布の包絡線がガウシアン分布になるようにすると、放射された後に形成される出射ビームの品質が特に向上する。このような分配の構成例として、アレイ導波路回折格子に用いられるような構成、すなわち入射導波路の光をいったん、幅広いスラブ導波路に接続させて、その内部を光がガウシアン分布になるように自由伝搬させ、スラブ導波路の末端に所望の数のアレイ導波路を接続する構成としてもよい。

（反射光を用いる装置構成）
上記した光ビームを放射する光偏向デバイスは、反射光を用いた装置に適用することができる。図１７は光偏向デバイスの反射光を用いた装置への適用を説明するための図である。

光偏向デバイス１に短い光パルスを導入して回折格子で光ビームを放射し（図１７（ａ））、放射されたビームが遠方で反射され、同じ回折格子に戻ってきたときには（図１７（ｂ））、放射したときと逆の経路をたどって元の導波路の中に戻ることができる。もどって来た導波路の先にＳｉやＧｅやハイブリッド集積したIII-V族半導体からなるフォトダイオードの光検出部６０を配置すれば、その光を検出することができる。この反射光を受光する構成は、ＬＩＤＡＲ（ライダー装置）のように、短パルスの光ビームを偏向させて遠方の物体に照射し、その反射光を検出して物体までの距離を測る応用に有効である。

反射光を用いるライダー装置の構成は複数の形態とすることができる。図１８はライダー装置の形態を説明するための図である。

図１８（ａ）は第１の形態を示している。第１の形態のライダー装置１００Ａは、入射導波路８０を分岐し、分岐路の一端に光検出部６０（フォトダイオード）を配置する構成である。光偏向デバイス１に反射して戻った光パルスを光フィルタ７０を通過させ後、分岐路を介して光検出部６０に導いて検出する。

図１８（ｂ）は第２の形態を示している。第２の形態のライダー装置１００Ｂは、入射導波路８０に光スイッチ９０を挿入し、パルス光源５０の光パルスが通過した後に光検出部６０（フォトダイオード）側に切り換え、反射して戻ってきた光パルスを光検出部６０（フォトダイオード）に高効率に導く。

図１８（ｃ）は第３の形態を示している。Ｓｉ導波路にｐ−ｎ接合を形成したフォトダイオードは、強い逆バイアスを掛けると、結晶欠陥を介したサブバンドギャップ吸収を起こして、本来は検出できない長波長帯の光が検出できるようになる。第３の形態のライダー装置１００Ｃは、光検出部６０として上記したｐ−ｎ接合を形成したフォトダイオードを入射導波路８０の途中に挿入し、パルス光源５０の光パルスが通過した後に逆バイアスに変更して、反射された光パルスを検出する。

図１８（ｄ）は第４の形態を示している。第４の形態のライダー装置１００Ｄは、パルス光源と光検出部とを兼ねるパルス光源・光検出部５１を備える。パルス光源・光検出部５１は、パルス光源となる半導体レーザに逆バイアスを掛けてフォトダイオードとしても動作させることができる。この構成によれば、パルス光源・光検出部５１は光パルスを発した後に、逆バイアスを掛けてフォトダイオードとしても動作させ、反射して戻ってきた光パルスを検出する。

上記した各形態のライダー装置の装置構成によれば、仮にパルス光源と同じ波長の光が別の方向から到来して、回折格子に入射したとしても、光は逆順をたどらないので、元の導波路には結合せず、光検出部（フォトダイオード）に入射することはない。したがって、光偏向デバイスは、上記したライダー（ＬＩＤＡＲ）の機能において、余計なノイズ成分を除去するのに有効である。

図１８に示す各形態例は、入射導波路８０に波長フィルタの光フィルタ７０が挿入されている。ライダー（ＬＩＤＡＲ）の機能において、光フィルタ７０は必須の構成ではなく、光フィルタ７０を省いた構成であっても同じ機能を実現することができる。

以下、光フィルタ７０を挿入した方が有効な場面について説明する。光フィルタ７０はパルス光源の光パルスの波長を通過させることができるフィルタである。パルス光源の波長を変えたときは、波長変更と同期して通過波長も変えられる可変波長フィルタとするのがより好ましい。この場合、反射して戻ってきた光はこの光フィルタ７０を通過して光検出部（フォトダイオード）に到達する。

一方、環境中には様々な波長の光があり、パルス光源の波長とは異なる波長の光がノイズ成分として光偏向デバイス１の回折格子に到来する。仮に、異なる波長の光の到来方向がもともとの光ビームと同じであるときには、波長が異なるノイズ成分は光導波路に結合することができない。一方、別の方向から回折格子に到来したノイズ成分の中には、光導波路に結合して戻ることができるものがある。光フィルタは、このように光導波路に結合するノイズ成分を除去することができる。このノイズ成分の除去は、ＬＩＤＡＲの反射信号を検出する際のＳＮ比の向上に有効である。

本願発明の光偏向デバイスによれば、指向性の高い光ビームを機械部品を用いることなく偏向することができる。そのため、従来ｃｍオーダーと大型だった光偏向器をｍｍオーダーに小型化することができる。また、信頼性を向上させ、消費電力を低減し、動作速度を高めることができ、わずかな波長変化もしくは屈折率変化によって、大きなビーム角度の変化と大きな解像点数が得られる。

また、本願発明の光偏向デバイスはシリコンフォトニクスＣＭＯＳ互換プロセスで製作することができる。シリコンフォトニクスＣＭＯＳ互換プロセスを用いることによって、フォトニック結晶スローライト導波路を形成することができる。このスローライト導波路によれば、波長の変化や外部制御による屈折率変化によって、一定の波長範囲において伝搬定数βに大きな変化を与えることができる。

このスローライト導波路の周囲を覆うＳｉＯ_２クラッドの上部の表面に回折格子を形成する構成、もしくはクラッドの中に設けたＳｉＮ中間層中に回折格子を形成する構成、スローライト導波路の上部を隠さない形でスローライト導波路に沿ってクラッドの上又は内部にヒーターを形成する構成、Ｓｉスラブ中にｐ−ｎ接合を形成する構成等の各種構成によって屈折率変化を与えることができる。この屈折率変化構造は、フォトニック結晶変調器において実証済みである。

スローライト導波路はＳｉ細線導波路に1dB以下の低損失で接続することができ、Ｓｉ細線導波路はスポットサイズ変換器を介して、外部光ファイバに対して損失1.5dB程度で光学的に接続することができる。

外部にはファイバ出力のレーザ光源を用意する。レーザ光源は、デスクトップタイプの可変波長光源や，Ｃバンド帯（λ=1.53〜1.565μm）可変波長レーザダイオードモジュールを利用することができる。

出射ビームに高い出力が要求されるときは、あらかじめ半導体光増幅器やエルビウム添加光ファイバ増幅器により光出力を高めることができる。通常、スポットサイズ変換器の耐入力連続パワーは200mW程度であり、これより高いパワーを入力したい場合は、光パルスを用いる。十分に狭いパルスであれば、50W以上のピークパワーでも入力可能であり、さらに高いパワーが必要な場合は、Ｓｉ細線導波路の途中にＧａＩｎＡｓＰ半導体を貼り付け、伝搬光をこれに結合させて半導体光増幅器として動作させ、内部で光パワーを高める構成を用いることができる。

多数本の導波路に対する切り替えの機構は、マッハツェンダー型光スイッチを多段従属接続させた１×Ｎ切り替えスイッチ、結合マイクロリング共振器型波長分波器、アレイ導波路回折格子、グレーティング波長分波器などを用いることができる。

ＣＭＯＳ互換プロセスを用いたＳｉフォトニック結晶スローライト導波路，ヒーターやｐ−ｎ接合による屈折率変化、Ｓｉに直接形成した回折格子による光ビーム形成ならびに波長に対するビーム角度の変化は実証済みである。

また、使用する光は近赤外光に限らず、デバイスをＳｉＮなど可視光に対して透明なＳｉ関連材料で製作することによって、プロジェクタやレーザディスプレイ、網膜ディスプレイ、２Ｄ/３Ｄプリンタ、ＰＯＳやカード読み取り装置等への適用がある。

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

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

１ 光偏向デバイス
１ａ，１ｂ 光偏向デバイス
２ 光導波部
２Ａ １次元フォトニック結晶導波路
２Ｂ １次元フォトニック結晶導波路
２Ｃ〜２Ｈ ２次元フォトニック結晶導波路
２ａ スローライト導波路
２ｂ 上部クラッド
２ｃ 下部クラッド
３ 出射部
３Ｂ エアブリッジ型回折格子
３Ｃ エアブリッジ型回折格子
３Ｄ〜３Ｊ 回折格子
３ａ 表面回折格子
３ｂ，３ｃ 円孔
４ 波長制御部
５ 屈折率制御部
６ 出射角度制御部
７，７ａ，７ｂ スイッチ
８ａ〜８ｆ 光路
９，９ａ シリンドリカルレンズ
９ｂ プラスチックモールド
１０ 入射導波路
１１ 切り替え部
１２ 位相調整器
１３ アレイ集積
１４ パワー分配器
１５ アレイ集積
２１ 高屈折率媒質
２２ 低屈折率媒質
２３ 屈折率変更部
３１ 高屈折率媒質
３２ 低屈折率媒質
３３ 屈折率変更部
４０ 高屈折率基板
４１ 基板
４２ 反射鏡
５０ パルス光源
６０ 光検出部
７０ 光フィルタ
８０ 入射導波路
９０ 光スイッチ
１００ ライダー装置

Claims (14)

1. 屈折率の周期構造を備えたシリコンフォトニクスデバイスであり、
   前記周期構造は、
   シリコン基材の第１の屈折率媒質に、周期ａで屈折率を異にする第２の屈折率媒質を備え、周期方向の少なくとも一端を入射端とする光導波部を構成する第１の周期構造と、
   第１の屈折率媒質に、前記第１の周期構造の周期ａよりも長い周期Λ（ａ＜Λ≦２ａ）で屈折率を異にする第２の屈折率媒質を備え、周期方向の側端を出射端とする出射部を構成する第２の周期構造とを備え、
   前記第２の周期構造は、前記第１の周期構造と一体に形成され、前記第２の周期構造の配置位置は、前記第１の周期構造の光導波部を伝搬する光の強度分布の周辺部であり、前記第１の周期構造の周期方向と前記第２の周期構造の周期方向とが、ともに、光の伝搬方向に沿っており、前記第２の周期構造は、前記第１の周期構造の前記光導波部を伝搬する光の浸み出し成分と結合するように配置され、
   前記周期ａはａ＝λ／２ｎ（ｎは第１の周期構造の光導波部の伝搬光の等価屈折率、λはブラッグ波長付近の波長）であることを特徴とする、光偏向デバイス。
2. 前記第１の周期構造及び前記第２の周期構造において、前記第１の周期構造に周期的に形成された穴の光の伝搬方向と直交する深さ方向の大きさは、前記第２の周期構造に周期的に形成された穴又は凹凸の光の伝搬方向と直交する深さ方向の大きさよりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の光偏向デバイス。
3. 前記第１の周期構造の光導波部はスローライト導波路であり、
   前記第２の周期構造の出射部は回折格子であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光偏向デバイス。
4. 前記スローライト導波路はフォトニック結晶の周期構造で構成されるフォトニック結晶導波路であることを特徴とする請求項３に記載の光偏向デバイス。
5. 前記フォトニック結晶導波路は、
   シリコン基板上のクラッドとの間に空気層を備えるエアブリッジ型スローライト導波路、
   又は、
   クラッド内に埋め込まれるクラッド埋込型スローライト導波路であることを特徴とする請求項４に記載の光偏向デバイス。
6. 前記回折格子は、屈折率媒質に周期的に設けた凹凸構造、又はフォトニック結晶の周期構造で構成されることを特徴とする請求項３に記載の光偏向デバイス。
7. 前記回折格子は、
   前記エアブリッジ型スローライト導波路の間、又はクラッド埋込型スローライト導波路のクラッドとの間に、空気層を備えるエアブリッジ型回折格子、
   又は、
   前記クラッド埋込型スローライト導波路を埋め込むクラッドにおいて、上クラッドの上部、上クラッド、あるいは下クラッドのクラッド内に埋め込まれる埋込型回折格子、
   又は、
   シリコン基板に形成した回折格子の何れか一つであることを特徴とする、請求項５に記載の光偏向デバイス。
8. 前記回折格子は、
   前記フォトニック結晶導波路の両側、
   又は、
   前記フォトニック結晶導波路の上部表面に設けることを特徴とする、請求項４に記載の光偏向デバイス。
9. 前記フォトニック結晶導波路は、フォトニック結晶の周期構造を短周期と長周期の２種類の周期を備える２重周期構造を備え、
   短周期の周期構造は第１の周期構造のスローライト導波路を構成し、
   長周期の周期構造は第２の周期構造の回折格子を構成することを特徴とする、請求項４に記載の光偏向デバイス。
10. 前記第１の周期構造は、直線状の周期構造を有する１次元フォトニック結晶導波路、又は、平面状の周期構造に直線欠陥部を有する２次元フォトニック結晶導波路であることを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載の光偏向デバイス。
11. 前記第２の周期構造の下方の基板側に、前記出射部から出射した出射光を反射する反射部を備えることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載の光偏向デバイス。
12. 前記周期構造は、円孔により形成されたフォトニック結晶の平面状周期構造であり、
    前記第１の周期構造は、前記平面状周期構造において直線欠陥部を有する２次元フォトニック結晶導波路であり、
    前記第２の周期構造は、前記第１の周期構造を形成する２種類の異なる直径の円孔が、前記２次元フォトニック結晶導波路に沿って同一列上にそれぞれ前記第１の周期構造の円孔の周期より長い周期で繰り返す二重周期構造であることを特徴とする、請求項１に記載の光偏向デバイス。
13. 前記二重周期構造は、大径の円孔を繰り返す周期構造と、小径の円孔を繰り返す周期構造とを備え、
    基準の円孔の直径を２ｒ、直径の相違幅を２Δｒとしたとき、
    大径の円孔の直径は２（ｒ＋Δｒ）であり、
    小径の円孔の直径は２（ｒ−Δｒ）であることを特徴とする請求項１２に記載の光偏向デバイス。
14. 請求項１から１３の何れかに記載の光偏向デバイスと、
    前記光偏向デバイスにパルス光を入射するパルス光源と、
    前記光偏向デバイスで受けた光を検出する光検出部と、
    を備えたライダー装置。

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