光偏向素子および光偏向モジュール
【課題】偏向方位分解能の向上、偏向角の拡大、搭載自由度の向上、および構造の簡略化を実現する
【解決手段】光偏向素子１は、内部を光が導波する光ガイド層１３と、光ガイド層１３の上面および下面に形成されたＤＢＲ１４およびＤＢＲ１２とを備え（以下、光ガイド層１３とＤＢＲ１２，１４とをまとめて「導波路」という）、さらに、ＤＢＲ１４の両面のうち導波路と非接触となる側の面に形成された光入射口２６と、光入射口２６から入射して導波路内を導波する光を出射させるための光出射口２７とを備える。そして、光入射口２６から導波路内に光が入射すると、導波路内の光は、光ガイド層１３の上面および下面に設けられたＤＢＲ１２，１４で反射しながら光導波層内を導波し（矢印Ｄ１を参照）、その後、光出射口２７から出射する（矢印Ｄ２を参照）。
【解決手段】光偏向素子１は、内部を光が導波する光ガイド層１３と、光ガイド層１３の上面および下面に形成されたＤＢＲ１４およびＤＢＲ１２とを備え（以下、光ガイド層１３とＤＢＲ１２，１４とをまとめて「導波路」という）、さらに、ＤＢＲ１４の両面のうち導波路と非接触となる側の面に形成された光入射口２６と、光入射口２６から入射して導波路内を導波する光を出射させるための光出射口２７とを備える。そして、光入射口２６から導波路内に光が入射すると、導波路内の光は、光ガイド層１３の上面および下面に設けられたＤＢＲ１２，１４で反射しながら光導波層内を導波し（矢印Ｄ１を参照）、その後、光出射口２７から出射する（矢印Ｄ２を参照）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光偏向素子、および光偏向素子を備えた光偏向モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体レーザのレーザ光を偏向しスキャンするデバイスについて、種々の構造が提案されている。
例えば、機械的駆動を必要とすることなく光ビームを高速で大きく偏向するために、ＤＢＲ型波長可変レーザとフォトニック結晶とを備え、波長可変レーザからの光の波長を微小量可変することにより出射ビームの偏向位置を制御する光ビーム偏向機構が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
また、波長多重通信における可変波長フィルタを実現する方法として、回折格子からなる２つのビーム偏向器とその中間に傾けて載置されるバンドパスフィルタからなるフィルタ装置が知られている（例えば、特許文献２を参照）。
【０００４】
また、ガルバノミラーまたはポリゴンミラーを用いてレーザ光をスキャンする装置が知られている（例えば、特許文献３，４を参照）。
また、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を利用したミラースキャナが知られている（例えば、特許文献５を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１３４３９号公報
【特許文献２】特開２００３−１７２９１２号公報
【特許文献３】特開平１１−２６７８７３号公報
【特許文献４】特開２００７−１１４５１８号公報
【特許文献５】特開２００６−１０７１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に記載の技術では、フォトニック結晶母材（特許文献１では酸化シリコン）に対して配置する異種材料（特許文献１では円柱状シリコン）の配列パターンによって決まる光学的バンドの損失の低い方向が、偏向したい光ビーム方向と必ずしも一致するとは限らず、結果として高い偏向方位分解能を得ることができないという課題がある。
【０００７】
また、特許文献２に記載の技術では、偏向機能に着目した場合に、予め定めたピッチの要素格子（回折格子）と波長によって偏向角度が決まる。偏向角度を変えてビームスキャンを行うためには波長を変化させる必要があるが、波長を数十ｎｍ程度変化させた場合は数度程度の小さな偏向角度の変化しか得られないという課題がある（波長１５００ｎｍ前後での概算）。
【０００８】
また、特許文献３，４に記載の技術では、機械的可動部を有するために半導体デバイスに比べてサイズおよび重量が大きくなり、搭載自由度に劣るという課題がある。また、いずれも１軸周りの回転機構をスキャン動作に用いているため、ガルバノミラーでは１次元スキャンのみ、ポリゴンミラーでも各面の角度を変えることでわずか数面分の２次元スキャンしか実現できないという課題がある。
【０００９】
また、特許文献５に記載の技術では、ＭＥＭＳミラー単独により２次元スキャンの実現を図る場合に、ＭＥＭＳミラーの構造が複雑になり、搭載環境の振動にロバストでなくなるという課題がある。
【００１０】
本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、偏向方位分解能の向上、偏向角の拡大、搭載自由度の向上、および構造の簡略化を実現する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の光偏向素子は、内部を光が導波する光導波層と、光導波層の上面および下面から放出される光を反射するために光導波層の上面および下面それぞれに形成された第１分布ブラッグ反射鏡とを備える導波路と、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、前記導波路の表面に形成された光出射口とを備えることを特徴とする。
【００１２】
このように構成された光偏向素子では、光入射口から導波路内に光が入射すると、導波路内の光は、光導波層の上面および下面に設けられた第１分布ブラッグ反射鏡で反射しながら光導波層内を導波し、その後、光出射口から出射する。
【００１３】
そして、導波路中における内部の伝搬角θiは、下式（１）で近似的に表される。なお式（１）において、λは入射光の波長、λcは導波路のカットオフ波長である。
【００１４】
【数１】
したがって、スネルの法則から、光偏向素子からの偏向角θrは、下式（２）で表される。なお式（２）において、n は導波路の平均的な屈折率である。
【００１５】
【数２】
図２は、入射光の波長と、光偏向素子からの偏向角θrとの関係を示す数値計算結果である。ここで、カットオフ波長は９８２ｎｍ と仮定している。
【００１６】
図２に示すように、波長を約５０ｎｍ 変えると、８０°に及ぶ巨大な偏向角の変化が得られることがわかる。
図３は、光偏向素子における電磁界分布の電磁界シミュレータによる計算結果を色々な波長（９５０，９６０，９７０，９８０ｎｍ）に対して示したものである。上部が光偏向素子からの出射光の電界を示しており、濃淡の直線が偏向光の波面を示している。波長を変化させることで、波面（すなわち偏向角）が大きく変化することがわかる。
【００１７】
したがって、請求項１に記載の光偏向素子によれば、入射光の波長を変化させることで、広い偏向角範囲にわたって光を偏向させることができる。
また、出射光の広がり角Δθdivは、下式（３）で表される。なお式（３）において、Ｌは、光出射口における光導波方向の長さ（以下、光出射口長という）である。
【００１８】
【数３】
したがって、請求項１に記載の光偏向素子によれば、光出射口長を長くするほど、偏向方位分解能を向上させることができる。
【００１９】
図４は、光偏向素子の光出射口長と広がり角および解像点数との関係を示す図である。
図４に示すように、光出射口長を長くなるほど広がり角が小さく（偏向方位分解能が高く）なるとともに解像点数が大きくなる。例えば、光出射口長を１０ｍｍ程度まで長くすることによって、解像点数１，０００以上を実現することができる。
【００２０】
また、請求項１に記載の光偏向素子によれば、機械的可動部を備えないために構造の簡略化が可能になるとともに、半導体デバイスの製造プロセスを適用して作製することができるために小型化が可能となり搭載自由度を向上させることができる。
【００２１】
また、請求項１に記載の光偏向素子において、請求項２に記載のように、光導波層は、電流が注入されることにより、光入射口から入射する光を増幅する第１活性層を備え、当該光偏向素子は、第１活性層に電流を注入するための第１電流注入用電極を備えるようにしてもよい。
【００２２】
このように構成された光偏向素子では、第１電流注入用電極を介した第１活性層への注入電流量に応じて、第１活性層の増幅率を変化させることができる。このため、光入射口から入射した光が導波路内を導波する過程で減衰した場合であっても、第１活性層での増幅によりこの減衰分の光強度を補うことができる。これにより、光出射口から出射する光の強度の低下を抑制することができる。また、第１分布ブラッグ反射鏡の反射率と、第１活性層の増幅率を調整することで、光出射口から出射する光の強度を伝搬方向に対して一定にすることができる。これによって、同時に光出射口長を長くすることで、偏向方位分解能を向上させることができる。
【００２３】
なお、入射光の波長を変えた場合に、ブラッグ反射鏡で構成される光導波路における垂直方向の定在波分布は一定のため、導波路を伝搬する光の伝搬角は変化する。また、光出射口から放射される光の波長は、入射光の波長と同一である。
【００２４】
また、請求項１または請求項２に記載の光偏向素子において、請求項３に記載のように、光が導波する導波方向に沿って、光出射口が形成されている領域を挟んで光入射口が形成されている領域とは反対側において光導波層に隣接して配置され、光導波層を導波する光を吸収する光吸収層を備えるようにしてもよい。
【００２５】
このように構成された光偏向素子では、光入射口から入射した光が、導波路内を導波方向に沿って導波し、光導波層と光吸収層との境界に到達すると、この光が光吸収層で吸収される。これにより、光吸収層に到達した光が反射して光入射口側に戻って光の伝搬が不安定になるという状況の発生を抑制することができる。
【００２６】
また、請求項４に記載の光偏向モジュールは、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の光偏向素子と、光入射口に入射する光の波長を予め設定された第１波長範囲内で変化させることができる第１波長可変手段とを備えることを特徴とする。
【００２７】
このように構成された光偏向モジュールは、第１波長可変手段が、光入射口に入射する光の波長を変化させることにより、光偏向素子から出射する光の出射角を波長に応じて変えることができ、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の光偏向素子と同様の効果を得ることができる。
【００２８】
また、請求項４に記載の光偏向モジュールにおいて、請求項５に記載のように、第１波長可変手段は、電流が注入されることにより光を発生させる第２活性層と、第２活性層で発生した光を反射するために第２活性層の下面に形成された下側第２分布ブラッグ反射鏡と、第２活性層の上方において、空隙を介して第２活性層と対向するように配置され、第２活性層で増幅される光を反射する反射層と、反射層を移動させることにより、反射層と第２活性層との間の距離を予め設定された移動範囲内で変化させることができる反射層移動手段とを備える波長可変面発光レーザであるようにしてもよい。
【００２９】
このように構成された光偏向モジュールでは、反射層移動手段が、反射層を移動させることにより、反射層と第２活性層との間の距離を予め設定された移動範囲内で変化させることにより、上記距離に応じた波長のレーザ光を発光する波長可変面発光レーザを備える。そして、波長可変面発光レーザは、端面発光レーザと異なり、基板表面に対して垂直方向にレーザ光を照射することができるため、光偏向素子と同一の基板上に作製することができる。これにより、光偏向素子とレーザとを別々に作製した後に結合する必要がなく、製造工程を簡略化することができる。
【００３０】
また、請求項５に記載の光偏向モジュールにおいて、請求項６に記載のように、第２活性層の周囲には酸化層が形成されているようにしてもよい。これにより、第２活性層に注入電流を狭搾し、周囲における不要な発光を抑制することができる。
【００３１】
なお、請求項５または請求項６に記載の光偏向モジュールにおいて、反射層と上側第２分布ブラッグ反射鏡との間の距離を予め設定された移動範囲内で変化させるために、具体的には、請求項７に記載のように、反射層移動手段が、反射層上に積層され反射層と熱膨張率が異なる材料で構成された層である異膨張率層と、異膨張率層を加熱する加熱手段とから構成され、異膨張率層の温度を変化させるようにしてもよいし、請求項８に記載のように、反射層と第２活性層との間に印加される電圧を変化させることにより反射層を移動させるようにしてもよい。
【００３２】
また、請求項４〜請求項８の何れか１項に記載の光偏向モジュールにおいて、請求項９に記載のように、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の光偏向素子から出射された光を平行光に変換して照射するコリメートレンズと、コリメートレンズから照射された光を、光偏向素子の光偏向方向と直交する光走査方向に走査する１軸ＭＥＭＳミラーとを備えるようにしてもよい。
【００３３】
このように構成された光偏向モジュールでは、光を２次元走査する場合において、上記光偏向方向の走査を光偏向素子が行い、これにより、上記光偏向方向の走査について機械的可動部が不要となるため、その分、２次元走査機構の構造を簡略化することができる。
【００３４】
また、請求項４〜請求項９の何れか１項に記載の光偏向モジュールにおいて、請求項１０に記載のように、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の光偏向素子は、導波路内に光を入射させるために、光出射口を挟んで光入射口とは反対側から光を入射可能になるように構成され、反対側から入射する光の波長を予め設定された第２波長範囲内で変化させることができる第２波長可変手段を備えるようにしてもよい。
【００３５】
このように構成された光偏向モジュールでは、光出射口の両側から光を入射して、その光を光出射口から出射することができる。このため、光入射口から入射して光出射口から出射する光の出射方向と、その反対側から入射して光出射口から出射する光の出射方向とが逆になる。このため、光入射口とその反対側とに光を入射させることにより、光出射口から出射する光の出射角範囲を拡げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】光偏向素子１の断面図および平面図である。
【図２】入射光の波長と偏向角との関係を示す数値計算結果である。
【図３】光偏向素子における電磁界分布の計算結果である。
【図４】光出射口長と広がり角および解像点数との関係を示す図である。
【図５】光偏向素子５１の断面図および平面図である。
【図６】光偏向モジュール１０１の断面図である。
【図７】光偏向モジュール１５１の構成を示す図である。
【図８】光偏向モジュール２０１の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
（第１実施形態）
以下に本発明の第１実施形態について図面とともに説明する。
図１（ａ）は本発明が適用された光偏向素子１の断面図、図１（ｂ）は光偏向素子１の平面図である。
【００３８】
光偏向素子１は、図１（ａ）に示すように、半導体層２と、半導体層２の上面に形成された電極３とを備える。
これらのうち半導体層２は、ＧａＡｓ基板１１上に、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなる分布ブラッグ反射鏡（Distributed Bragg Reflector）１２（以下、ＤＢＲ１２という）、ＧａＡｓからなる光ガイド層１３、およびＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなる分布ブラッグ反射鏡１４（以下、ＤＢＲ１４という）が順次積層されて構成されている。
【００３９】
そしてＤＢＲ１２，１４は、ＡｌＡｓからなる第１層とＧａＡｓからなる第２層とを交互に積層して構成されている。なお、ＤＢＲ１４は、ＤＢＲ１２よりも反射率が低くなるように、ＤＢＲ１２よりも多層膜の層数が少なくなるように形成されている。本実施形態では、ＤＢＲ１４は、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓを一組とした層を一例として２０組積層して構成されているのに対し、ＤＢＲ１２は、４０組積層して構成されている。
【００４０】
また電極３は、ＤＢＲ１４上に、ＧａＡｓからなるコンタクト層２１、およびＡｕ系の金属からなる金属膜２２が順次積層されて構成されている。
そして図１（ａ），（ｂ）に示すように、電極３には、光ビームを半導体層２内に入射させるための光入射口２６と、光ビームを半導体層２から出射させるための光出射口２７とが電極３を貫通して形成されている。また光出射口２７は、矩形状に形成されている。そして光出射口２７は、その長手方向の辺が予め設定されたビーム入射方向Ｄ１に沿うように、且つ、短手方向の辺が光入射口２６と対向するように配置される。
【００４１】
さらに、半導体層２のＤＢＲ１４において、光入射口２６が形成されている領域には、その他の領域と比較して層数が少なくなるように凹部２８が形成されている。
このように構成された光偏向素子１は、内部を光が導波する光ガイド層１３と、光ガイド層１３の上面および下面から放出される光を反射するために光ガイド層１３の上面および下面それぞれに形成されたＤＢＲ１４およびＤＢＲ１２とを備え（以下、光ガイド層１３とＤＢＲ１２，１４とをまとめて「導波路」という）、さらに、導波路内に光を入射させるための光入射口２６と、光入射口２６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２７とを備える。
【００４２】
そして、このような光偏向素子１では、光入射口２６から導波路内に光が入射すると、導波路内の光は、光ガイド層１３の上面および下面に設けられたＤＢＲ１２，１４で反射しながら光導波層内を導波し（図１（ａ）の矢印Ｄ１を参照）、その後、光出射口２７から出射する（図１（ａ）の矢印Ｄ２を参照）。
【００４３】
そして、導波路中における内部の伝搬角θiは、下式（１）で近似的に表される。なお式（１）において、λは入射光の波長、λcは導波路のカットオフ波長である。
【００４４】
【数１】
したがって、スネルの法則から、光偏向素子１からの偏向角θrは、下式（２）で表される。なお式（２）において、ｎは導波路の平均的な屈折率である。
【００４５】
【数２】
図２は、入射光の波長と、光偏向素子１からの偏向角θrとの関係を示す数値計算結果である。ここで、カットオフ波長は９８２ｎｍ と仮定している。
【００４６】
図２に示すように、波長を約５０ｎｍ 変えると、８０°に及ぶ巨大な偏向角の変化が得られることがわかる。
図３は、光偏向素子１における電磁界分布の電磁界シミュレータによる計算結果を色々な波長（９５０，９６０，９７０，９８０ｎｍ）に対して示したものである。上部が光偏向素子１からの出射光の電界を示しており、濃淡の直線が偏向光の波面を示している。波長を変化させることで、波面（すなわち偏向角）が大きく変化することがわかる。
【００４７】
したがって、光偏向素子１によれば、入射光の波長を変化させることで、広い偏向角範囲にわたって光を偏向させることができる。
また、出射光の広がり角Δθdivは、下式（３）で表される。なお式（３）において、Ｌは、光出射口２７における光導波方向の長さ（以下、光出射口長という）である。
【００４８】
【数３】
したがって、光偏向素子１によれば、光出射口長を長くするほど、偏向方位分解能を向上させることができる。
【００４９】
図４は、光偏向素子１の光出射口長と広がり角および解像点数との関係を示す図である。
図４に示すように、光出射口長を長くなるほど広がり角が小さく（偏向方位分解能が高く）なるとともに解像点数が大きくなる。例えば、光出射口長を１０ｍｍ程度まで長くすることによって、解像点数１，０００以上を実現することができる。
【００５０】
また、光偏向素子１によれば、機械的可動部を備えないために構造の簡略化が可能になるとともに、半導体デバイスの製造プロセスを適用して作製することができるために小型化が可能となり搭載自由度を向上させることができる。
【００５１】
なお、光入射口２６でのＤＢＲ１４の反射率を低下させることで、光入射口２６に入射する光を高効率に導波路に結合することができる。
以上説明した実施形態において、光ガイド層１３は本発明における光導波層、ＤＢＲ１２，１４は本発明における第１分布ブラッグ反射鏡である。
【００５２】
（第２実施形態）
以下に本発明の第２実施形態について図面とともに説明する。
図５（ａ）は本発明が適用された光偏向素子５１の断面図、図５（ｂ）は光偏向素子５１の平面図である。
【００５３】
光偏向素子５１は、図５（ａ）に示すように、半導体層５２と、半導体層５２の上面に形成された電極５３と、半導体層２の下面に形成された電極５４とを備える。
これらのうち半導体層５２は、ｎ−ＧａＡｓ基板６１上に、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなるＤＢＲ６２、ＧａＡｓからなる光ガイド層６３、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓからなる活性層６４、ＧａＡｓからなる光ガイド層６５、およびＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなるＤＢＲ６６が順次積層されて構成されている。
【００５４】
また電極５３は、ＤＢＲ６６上に、ｐ−ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層７１、およびＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる金属膜７２が順次積層されて構成されるｐ型電極である。
また電極５４は、Ａｕ―Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ型電極であり、ｎ−ＧａＡｓ基板６１の下面、すなわち半導体層５２の下面の全面にわたって形成される。
【００５５】
そして図５（ａ），（ｂ）に示すように、電極５３には、光ビームを半導体層５２内に入射させるための光入射口７６と、光ビームを半導体層５２から出射させるための光出射口７７とが電極５３を貫通して形成されている。また光出射口７７は、矩形状に形成されている。そして光出射口７７は、その長手方向の辺が予め設定されたビーム入射方向Ｄ５１に沿うように、且つ、短手方向の辺が光入射口７６と対向するように配置される。
【００５６】
また電極５３には、光入射口７６および光出射口７７が存在する領域５３ａと、光入射口７６および光出射口７７が存在しない領域５３ｂとに電極５３を分断するようにビーム入射方向Ｄ５１に直交する方向に沿って延びる分断口７９が電極５３を貫通して形成されている。
【００５７】
そして、電極５３の領域５３ａおよび領域５３ｂのうち、領域５３ａのみに、活性層６４へ電流を注入するための電圧が印加される。そして、領域５３ａと領域５３ｂとは分断口７９を介して分断されているために、領域５３ｂには電圧が印加されない。このため、活性層６４のうち、領域５３ｂと対向する領域は、活性層６４内を導波する光を吸収する領域（図５の光吸収層６４ａを参照）となる。なお本実施形態では、光吸収層６４ａの反射率は約１％以下である。
【００５８】
さらに、半導体層５２のＤＢＲ６６において、光入射口７６が形成されている領域には、その他の領域と比較して膜厚が薄くなるように凹部７８が形成されている。
このように構成された光偏向素子５１では、電極５３，５４を介した活性層６４への注入電流量に応じて、活性層６４の増幅率を変化させることができる。このため、光入射口７６から入射した光が導波路内を導波する過程で減衰した場合であっても、活性層６４での増幅によりこの減衰分の光強度を補うことができる。これにより、光出射口７７から出射する光の強度の低下を抑制することができる。また、ＤＢＲ６２，６６の反射率と、活性層６４の増幅率を調整することで、光出射口７７から出射する光の強度を伝搬方向に対して一定にすることができる。これによって、同時に光出射口長を長くすることで、偏向方位分解能を向上させることができる。
【００５９】
なお、入射光の波長を変えた場合に、ＤＢＲ６２，６６で構成される導波路における垂直方向の定在波分布は一定のため、導波路を伝搬する光の伝搬角は変化する。また、光出射口７７から放射される光の波長は、入射光の波長と同一である。
【００６０】
また、光が導波する導波方向に沿って、光出射口７７が形成されている領域を挟んで光入射口７６が形成されている領域とは反対側において活性層６４に隣接して配置され、活性層６４を導波する光を吸収する光吸収層６４ａを備える。これにより、光入射口７６から入射した光が、導波路内を導波方向に沿って導波し、活性層６４と光吸収層６４ａとの境界に到達すると、この光が光吸収層６４ａで吸収される。これにより、光吸収層６４ａに到達した光が反射して光入射口７６側に戻って光の伝搬が不安定になるという状況の発生を抑制することができる。
【００６１】
なお、ＤＢＲ６６の反射率と活性層６４への注入電流を制御することで、光出射口７７から出射する光の強度とその伝搬方向の強度分布を制御することができる。
以上説明した実施形態において、活性層６４は本発明における第１活性層、ＤＢＲ６２，６６は本発明における第１分布ブラッグ反射鏡、電極５３，５４は本発明における第１電流注入用電極である。
【００６２】
（第３実施形態）
以下に本発明の第３実施形態について図面とともに説明する。
図６は本発明が適用された光偏向モジュール１０１の断面図である。
【００６３】
光偏向モジュール１０１は、図６に示すように、第２実施形態の光偏向素子５１と、光偏向素子５１に隣接するようにして光偏向素子５１と同一のｎ−ＧａＡｓ基板６１上に形成された波長可変面発光レーザ１１０とから構成されている。
【００６４】
波長可変面発光レーザ１１０は、光を放出する光放出部１１１と、光放出部１１１からの光の波長を予め設定された波長範囲内における所望の値に調整する波長調整部１１２とから構成される。
【００６５】
光放出部１１１は、ｎ−ＧａＡｓ基板６１上に、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなるＤＢＲ６２、ＧａＡｓからなる光ガイド層６３、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓからなる活性層６４、ＧａＡｓからなる光ガイド層６５、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなるＤＢＲ６６、およびＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ型電極１２１が順次積層されて構成されている。
【００６６】
なお、光放出部１１１の活性層６４と光偏向素子５１の活性層６４との間には、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓが酸化した酸化層１２２が形成されるとともに、光放出部１１１の活性層６４を挟んで酸化層１２２とは反対側に、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓが酸化した酸化層１２３が形成される。これにより、波長可変面発光レーザ１１０内の活性層６４において、酸化されていない所望の領域のみで光を発生させることができる。
【００６７】
またｐ型電極１２１は、光ガイド層６５上において、活性層６４の一部と対向するように形成される。
波長調整部１１２は、空気層ＡＬを挟んで光放出部１１１と対向するように配置されるカンチレバー１３１と、カンチレバー１３１と光ガイド層６５との間に配置されてカンチレバー１３１を支持する支持部１３２とから構成される。
【００６８】
カンチレバー１３１は、光放出部１１１に近い側から、光偏向素子５１のｐ型コンタクト層７１と同じ材料で構成された層１４１、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなるＤＢＲ１４２、およびＤＢＲ１４２と膨張率が異なる材料で構成された層１４３が順次積層されるとともに、層１４３上にＤＢＲ１４４とヒータ１４５が積層されて構成されている。
【００６９】
なおＤＢＲ１４４は、層１４３上において、光放出部１１１の活性層６４と対向するように形成される。
またヒータは、不図示の電極から電圧供給を受けて発熱して層１４３を加熱するものであり、層１４３上においてＤＢＲ１４４が形成されていない領域に形成される。
【００７０】
支持部１３２は、光ガイド層６５上に積層されたＤＢＲ６６について、支持部１３２に対応する領域以外をエッチングすることにより形成される。したがって、光偏向素子５１のＤＢＲ６６と波長可変面発光レーザ１１０の支持部１３２との間でＤＢＲ６６がエッチングされた領域が空気層ＡＬとなる。
【００７１】
このように構成された光偏向モジュール１０１では、ヒータ１４５によりカンチレバー１３１の層１４３を加熱することにより、ＤＢＲ１４２と光偏向素子５１の活性層６４との間の距離を予め設定された移動範囲内で変化させることにより（図６中の破線で記載されたカンチレバー１３１を参照）、上記距離に応じた波長のレーザ光を発光する波長可変面発光レーザ１１０を備える。そして、波長可変面発光レーザ１１０内で発生した光は、狭い酸化層１２２を介して、その一部が横方向に漏れることで、波長可変面発光レーザ１１０からのレーザ光を光偏向素子５１の導波路内に導く（図６中の矢印Ｄ１０１を参照）。
【００７２】
この波長可変面発光レーザ１１０は、端面発光レーザと異なり、基板表面に対して垂直方向にレーザ光を照射することができるため、光偏向素子５１と同一の基板上に作製することができる。これにより、光偏向素子５１とレーザとを別々に作製した後に結合する必要がなく、製造工程を簡略化することができる。
【００７３】
また、波長可変面発光レーザ１１０の活性層６４の周囲には酸化層１２２，１２３が形成されている。これにより、注入電流を活性領域に狭搾し、波長可変面発光レーザ１１０の活性層６４周囲における不要な発光を抑制することができる。
【００７４】
また、光吸収層６４ａを備えるため、入射した光が、導波路内を導波方向に沿って導波し、活性層６４と光吸収層６４ａとの境界に到達すると、この光が光吸収層６４ａで吸収される。これにより、光吸収層６４ａに到達した光が反射して波長可変面発光レーザ１１０側に戻って、波長可変面発光レーザ１１０の発振が不安定になるという状況の発生を抑制することができる。
【００７５】
以上説明した実施形態において、波長可変面発光レーザ１１０は本発明における第１波長可変手段、波長可変面発光レーザ１１０の活性層６４は本発明における第２活性層、波長可変面発光レーザ１１０のＤＢＲ６２は本発明における下側第２分布ブラッグ反射鏡、ＤＢＲ１４２は本発明における反射層、層１４３およびヒータ１４５は本発明における反射層移動手段、酸化層１２２，１２３は本発明における酸化層である。
【００７６】
また、層１４３は本発明における異膨張率層、ヒータ１４５は本発明における加熱手段である。
（第４実施形態）
以下に本発明の第４実施形態について図面とともに説明する。
【００７７】
図７は本発明が適用された光偏向モジュール１５１の構成を示す図である。
光偏向モジュール１５１は、図７に示すように、第３実施形態の光偏向モジュール１０１と、コリメートレンズ１６１と、１軸ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラー１６２を備える。
【００７８】
コリメートレンズ１６１は、光偏向モジュール１０１から照射された光ビームを平行光に変換して、１軸ＭＥＭＳミラー１６２に向けて照射する。
１軸ＭＥＭＳミラー１６２は、コリメートレンズ１６１から照射された光ビームを、光偏向モジュール１０１の光ビーム偏向方向Ｄ１５１と直交する光走査方向Ｄ１５２に走査する。
【００７９】
このように構成された光偏向モジュール１５１では、光を２次元走査する場合において、光ビーム偏向方向Ｄ１５１の走査を光偏向モジュール１０１の光偏向素子５１が行い、これにより、光ビーム偏向方向Ｄ１５１の走査について機械的可動部が不要となるため、その分、２次元走査機構の構造を簡略化することができる。
【００８０】
（第５実施形態）
以下に本発明の第５実施形態について図面とともに説明する。
図８は本発明が適用された光偏向モジュール２０１の断面図である。
【００８１】
光偏向モジュール２０１は、図８に示すように、第３実施形態の光偏向モジュール１０１と、光偏向モジュール１０１の光偏向素子５１に隣接するようにして光偏向素子５１と同一のｎ−ＧａＡｓ基板６１上に形成された波長可変面発光レーザ２１１とから構成されている。
【００８２】
このように構成された光偏向モジュール２０１では、光出射口７７の両側から光を入射して、その光を光出射口７７から出射することができる。このため、光出射口７７の一端側から入射して光出射口７７から出射する光の出射方向と、その反対側から入射して光出射口７７から出射する光の出射方向とが逆になる。このため、光出射口７７の一端側とその反対側とに光を入射させることにより、光出射口７７から出射する光の出射角範囲を拡げることができる。例えば、波長可変面発光レーザ１１０と波長可変面発光レーザ２１１が同じ波長範囲でレーザ光の波長を変化させるともに、波長可変面発光レーザ１１０と波長可変面発光レーザ２１１とが交互に光を入射するようにすれば、光偏向モジュール１０１と比較して２倍の出射角範囲を実現することができる。
【００８３】
以上説明した実施形態において、波長可変面発光レーザ２１１は本発明における第２波長可変手段である。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採ることができる。
【００８４】
例えば上記第３実施形態においては、ＤＢＲ１４２と膨張率が異なる材料で構成された層１４３とヒータ１４５とを用いてカンチレバー１３１を移動させるものを示したが、カンチレバー１３１と光放出部１１１との間に印加される電圧を変化させることによりカンチレバー１３１を移動させるようにしてもよい。
【００８５】
また、光出射口に薄膜プリズムを形成することで、偏向角の中心角度を制御するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００８６】
１…光偏向素子、２…半導体層、３…電極、１１…ＧａＡｓ基板、１２，１４…ＤＢＲ、１３…光ガイド層、２１…コンタクト層、２２…金属膜、２６…光入射口、２７…光出射口、２８…凹部、５１…光偏向素子、５２…半導体層、５３，５４…電極、６１…ｎ−ＧａＡｓ基板、６２，６６…ＤＢＲ、６３，６５…光ガイド層、６４…活性層、６４ａ…光吸収層、７１…ｐ型コンタクト層、７２…金属膜、７６…光入射口、７７…光出射口、７８…凹部、７９…分断口、１０１…光偏向モジュール、１１０…波長可変面発光レーザ、１１１…光放出部、１１２…波長調整部、１２１…ｐ型電極、１２２，１２３…酸化層、１３１…カンチレバー、１３２…支持部、１４１…層、１４２，１４４…ＤＢＲ、１４３…層、１４５…ヒータ、１５１…光偏向モジュール、１６１…コリメートレンズ、１６２…１軸ＭＥＭＳミラー、２０１…光偏向モジュール、２１１…波長可変面発光レーザ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光偏向素子、および光偏向素子を備えた光偏向モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体レーザのレーザ光を偏向しスキャンするデバイスについて、種々の構造が提案されている。
例えば、機械的駆動を必要とすることなく光ビームを高速で大きく偏向するために、ＤＢＲ型波長可変レーザとフォトニック結晶とを備え、波長可変レーザからの光の波長を微小量可変することにより出射ビームの偏向位置を制御する光ビーム偏向機構が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
また、波長多重通信における可変波長フィルタを実現する方法として、回折格子からなる２つのビーム偏向器とその中間に傾けて載置されるバンドパスフィルタからなるフィルタ装置が知られている（例えば、特許文献２を参照）。
【０００４】
また、ガルバノミラーまたはポリゴンミラーを用いてレーザ光をスキャンする装置が知られている（例えば、特許文献３，４を参照）。
また、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を利用したミラースキャナが知られている（例えば、特許文献５を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１３４３９号公報
【特許文献２】特開２００３−１７２９１２号公報
【特許文献３】特開平１１−２６７８７３号公報
【特許文献４】特開２００７−１１４５１８号公報
【特許文献５】特開２００６−１０７１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に記載の技術では、フォトニック結晶母材（特許文献１では酸化シリコン）に対して配置する異種材料（特許文献１では円柱状シリコン）の配列パターンによって決まる光学的バンドの損失の低い方向が、偏向したい光ビーム方向と必ずしも一致するとは限らず、結果として高い偏向方位分解能を得ることができないという課題がある。
【０００７】
また、特許文献２に記載の技術では、偏向機能に着目した場合に、予め定めたピッチの要素格子（回折格子）と波長によって偏向角度が決まる。偏向角度を変えてビームスキャンを行うためには波長を変化させる必要があるが、波長を数十ｎｍ程度変化させた場合は数度程度の小さな偏向角度の変化しか得られないという課題がある（波長１５００ｎｍ前後での概算）。
【０００８】
また、特許文献３，４に記載の技術では、機械的可動部を有するために半導体デバイスに比べてサイズおよび重量が大きくなり、搭載自由度に劣るという課題がある。また、いずれも１軸周りの回転機構をスキャン動作に用いているため、ガルバノミラーでは１次元スキャンのみ、ポリゴンミラーでも各面の角度を変えることでわずか数面分の２次元スキャンしか実現できないという課題がある。
【０００９】
また、特許文献５に記載の技術では、ＭＥＭＳミラー単独により２次元スキャンの実現を図る場合に、ＭＥＭＳミラーの構造が複雑になり、搭載環境の振動にロバストでなくなるという課題がある。
【００１０】
本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、偏向方位分解能の向上、偏向角の拡大、搭載自由度の向上、および構造の簡略化を実現する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の光偏向素子は、内部を光が導波する光導波層と、光導波層の上面および下面から放出される光を反射するために光導波層の上面および下面それぞれに形成された第１分布ブラッグ反射鏡とを備える導波路と、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、前記導波路の表面に形成された光出射口とを備えることを特徴とする。
【００１２】
このように構成された光偏向素子では、光入射口から導波路内に光が入射すると、導波路内の光は、光導波層の上面および下面に設けられた第１分布ブラッグ反射鏡で反射しながら光導波層内を導波し、その後、光出射口から出射する。
【００１３】
そして、導波路中における内部の伝搬角θiは、下式（１）で近似的に表される。なお式（１）において、λは入射光の波長、λcは導波路のカットオフ波長である。
【００１４】
【数１】
したがって、スネルの法則から、光偏向素子からの偏向角θrは、下式（２）で表される。なお式（２）において、n は導波路の平均的な屈折率である。
【００１５】
【数２】
図２は、入射光の波長と、光偏向素子からの偏向角θrとの関係を示す数値計算結果である。ここで、カットオフ波長は９８２ｎｍ と仮定している。
【００１６】
図２に示すように、波長を約５０ｎｍ 変えると、８０°に及ぶ巨大な偏向角の変化が得られることがわかる。
図３は、光偏向素子における電磁界分布の電磁界シミュレータによる計算結果を色々な波長（９５０，９６０，９７０，９８０ｎｍ）に対して示したものである。上部が光偏向素子からの出射光の電界を示しており、濃淡の直線が偏向光の波面を示している。波長を変化させることで、波面（すなわち偏向角）が大きく変化することがわかる。
【００１７】
したがって、請求項１に記載の光偏向素子によれば、入射光の波長を変化させることで、広い偏向角範囲にわたって光を偏向させることができる。
また、出射光の広がり角Δθdivは、下式（３）で表される。なお式（３）において、Ｌは、光出射口における光導波方向の長さ（以下、光出射口長という）である。
【００１８】
【数３】
したがって、請求項１に記載の光偏向素子によれば、光出射口長を長くするほど、偏向方位分解能を向上させることができる。
【００１９】
図４は、光偏向素子の光出射口長と広がり角および解像点数との関係を示す図である。
図４に示すように、光出射口長を長くなるほど広がり角が小さく（偏向方位分解能が高く）なるとともに解像点数が大きくなる。例えば、光出射口長を１０ｍｍ程度まで長くすることによって、解像点数１，０００以上を実現することができる。
【００２０】
また、請求項１に記載の光偏向素子によれば、機械的可動部を備えないために構造の簡略化が可能になるとともに、半導体デバイスの製造プロセスを適用して作製することができるために小型化が可能となり搭載自由度を向上させることができる。
【００２１】
また、請求項１に記載の光偏向素子において、請求項２に記載のように、光導波層は、電流が注入されることにより、光入射口から入射する光を増幅する第１活性層を備え、当該光偏向素子は、第１活性層に電流を注入するための第１電流注入用電極を備えるようにしてもよい。
【００２２】
このように構成された光偏向素子では、第１電流注入用電極を介した第１活性層への注入電流量に応じて、第１活性層の増幅率を変化させることができる。このため、光入射口から入射した光が導波路内を導波する過程で減衰した場合であっても、第１活性層での増幅によりこの減衰分の光強度を補うことができる。これにより、光出射口から出射する光の強度の低下を抑制することができる。また、第１分布ブラッグ反射鏡の反射率と、第１活性層の増幅率を調整することで、光出射口から出射する光の強度を伝搬方向に対して一定にすることができる。これによって、同時に光出射口長を長くすることで、偏向方位分解能を向上させることができる。
【００２３】
なお、入射光の波長を変えた場合に、ブラッグ反射鏡で構成される光導波路における垂直方向の定在波分布は一定のため、導波路を伝搬する光の伝搬角は変化する。また、光出射口から放射される光の波長は、入射光の波長と同一である。
【００２４】
また、請求項１または請求項２に記載の光偏向素子において、請求項３に記載のように、光が導波する導波方向に沿って、光出射口が形成されている領域を挟んで光入射口が形成されている領域とは反対側において光導波層に隣接して配置され、光導波層を導波する光を吸収する光吸収層を備えるようにしてもよい。
【００２５】
このように構成された光偏向素子では、光入射口から入射した光が、導波路内を導波方向に沿って導波し、光導波層と光吸収層との境界に到達すると、この光が光吸収層で吸収される。これにより、光吸収層に到達した光が反射して光入射口側に戻って光の伝搬が不安定になるという状況の発生を抑制することができる。
【００２６】
また、請求項４に記載の光偏向モジュールは、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の光偏向素子と、光入射口に入射する光の波長を予め設定された第１波長範囲内で変化させることができる第１波長可変手段とを備えることを特徴とする。
【００２７】
このように構成された光偏向モジュールは、第１波長可変手段が、光入射口に入射する光の波長を変化させることにより、光偏向素子から出射する光の出射角を波長に応じて変えることができ、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の光偏向素子と同様の効果を得ることができる。
【００２８】
また、請求項４に記載の光偏向モジュールにおいて、請求項５に記載のように、第１波長可変手段は、電流が注入されることにより光を発生させる第２活性層と、第２活性層で発生した光を反射するために第２活性層の下面に形成された下側第２分布ブラッグ反射鏡と、第２活性層の上方において、空隙を介して第２活性層と対向するように配置され、第２活性層で増幅される光を反射する反射層と、反射層を移動させることにより、反射層と第２活性層との間の距離を予め設定された移動範囲内で変化させることができる反射層移動手段とを備える波長可変面発光レーザであるようにしてもよい。
【００２９】
このように構成された光偏向モジュールでは、反射層移動手段が、反射層を移動させることにより、反射層と第２活性層との間の距離を予め設定された移動範囲内で変化させることにより、上記距離に応じた波長のレーザ光を発光する波長可変面発光レーザを備える。そして、波長可変面発光レーザは、端面発光レーザと異なり、基板表面に対して垂直方向にレーザ光を照射することができるため、光偏向素子と同一の基板上に作製することができる。これにより、光偏向素子とレーザとを別々に作製した後に結合する必要がなく、製造工程を簡略化することができる。
【００３０】
また、請求項５に記載の光偏向モジュールにおいて、請求項６に記載のように、第２活性層の周囲には酸化層が形成されているようにしてもよい。これにより、第２活性層に注入電流を狭搾し、周囲における不要な発光を抑制することができる。
【００３１】
なお、請求項５または請求項６に記載の光偏向モジュールにおいて、反射層と上側第２分布ブラッグ反射鏡との間の距離を予め設定された移動範囲内で変化させるために、具体的には、請求項７に記載のように、反射層移動手段が、反射層上に積層され反射層と熱膨張率が異なる材料で構成された層である異膨張率層と、異膨張率層を加熱する加熱手段とから構成され、異膨張率層の温度を変化させるようにしてもよいし、請求項８に記載のように、反射層と第２活性層との間に印加される電圧を変化させることにより反射層を移動させるようにしてもよい。
【００３２】
また、請求項４〜請求項８の何れか１項に記載の光偏向モジュールにおいて、請求項９に記載のように、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の光偏向素子から出射された光を平行光に変換して照射するコリメートレンズと、コリメートレンズから照射された光を、光偏向素子の光偏向方向と直交する光走査方向に走査する１軸ＭＥＭＳミラーとを備えるようにしてもよい。
【００３３】
このように構成された光偏向モジュールでは、光を２次元走査する場合において、上記光偏向方向の走査を光偏向素子が行い、これにより、上記光偏向方向の走査について機械的可動部が不要となるため、その分、２次元走査機構の構造を簡略化することができる。
【００３４】
また、請求項４〜請求項９の何れか１項に記載の光偏向モジュールにおいて、請求項１０に記載のように、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の光偏向素子は、導波路内に光を入射させるために、光出射口を挟んで光入射口とは反対側から光を入射可能になるように構成され、反対側から入射する光の波長を予め設定された第２波長範囲内で変化させることができる第２波長可変手段を備えるようにしてもよい。
【００３５】
このように構成された光偏向モジュールでは、光出射口の両側から光を入射して、その光を光出射口から出射することができる。このため、光入射口から入射して光出射口から出射する光の出射方向と、その反対側から入射して光出射口から出射する光の出射方向とが逆になる。このため、光入射口とその反対側とに光を入射させることにより、光出射口から出射する光の出射角範囲を拡げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】光偏向素子１の断面図および平面図である。
【図２】入射光の波長と偏向角との関係を示す数値計算結果である。
【図３】光偏向素子における電磁界分布の計算結果である。
【図４】光出射口長と広がり角および解像点数との関係を示す図である。
【図５】光偏向素子５１の断面図および平面図である。
【図６】光偏向モジュール１０１の断面図である。
【図７】光偏向モジュール１５１の構成を示す図である。
【図８】光偏向モジュール２０１の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
（第１実施形態）
以下に本発明の第１実施形態について図面とともに説明する。
図１（ａ）は本発明が適用された光偏向素子１の断面図、図１（ｂ）は光偏向素子１の平面図である。
【００３８】
光偏向素子１は、図１（ａ）に示すように、半導体層２と、半導体層２の上面に形成された電極３とを備える。
これらのうち半導体層２は、ＧａＡｓ基板１１上に、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなる分布ブラッグ反射鏡（Distributed Bragg Reflector）１２（以下、ＤＢＲ１２という）、ＧａＡｓからなる光ガイド層１３、およびＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなる分布ブラッグ反射鏡１４（以下、ＤＢＲ１４という）が順次積層されて構成されている。
【００３９】
そしてＤＢＲ１２，１４は、ＡｌＡｓからなる第１層とＧａＡｓからなる第２層とを交互に積層して構成されている。なお、ＤＢＲ１４は、ＤＢＲ１２よりも反射率が低くなるように、ＤＢＲ１２よりも多層膜の層数が少なくなるように形成されている。本実施形態では、ＤＢＲ１４は、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓを一組とした層を一例として２０組積層して構成されているのに対し、ＤＢＲ１２は、４０組積層して構成されている。
【００４０】
また電極３は、ＤＢＲ１４上に、ＧａＡｓからなるコンタクト層２１、およびＡｕ系の金属からなる金属膜２２が順次積層されて構成されている。
そして図１（ａ），（ｂ）に示すように、電極３には、光ビームを半導体層２内に入射させるための光入射口２６と、光ビームを半導体層２から出射させるための光出射口２７とが電極３を貫通して形成されている。また光出射口２７は、矩形状に形成されている。そして光出射口２７は、その長手方向の辺が予め設定されたビーム入射方向Ｄ１に沿うように、且つ、短手方向の辺が光入射口２６と対向するように配置される。
【００４１】
さらに、半導体層２のＤＢＲ１４において、光入射口２６が形成されている領域には、その他の領域と比較して層数が少なくなるように凹部２８が形成されている。
このように構成された光偏向素子１は、内部を光が導波する光ガイド層１３と、光ガイド層１３の上面および下面から放出される光を反射するために光ガイド層１３の上面および下面それぞれに形成されたＤＢＲ１４およびＤＢＲ１２とを備え（以下、光ガイド層１３とＤＢＲ１２，１４とをまとめて「導波路」という）、さらに、導波路内に光を入射させるための光入射口２６と、光入射口２６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２７とを備える。
【００４２】
そして、このような光偏向素子１では、光入射口２６から導波路内に光が入射すると、導波路内の光は、光ガイド層１３の上面および下面に設けられたＤＢＲ１２，１４で反射しながら光導波層内を導波し（図１（ａ）の矢印Ｄ１を参照）、その後、光出射口２７から出射する（図１（ａ）の矢印Ｄ２を参照）。
【００４３】
そして、導波路中における内部の伝搬角θiは、下式（１）で近似的に表される。なお式（１）において、λは入射光の波長、λcは導波路のカットオフ波長である。
【００４４】
【数１】
したがって、スネルの法則から、光偏向素子１からの偏向角θrは、下式（２）で表される。なお式（２）において、ｎは導波路の平均的な屈折率である。
【００４５】
【数２】
図２は、入射光の波長と、光偏向素子１からの偏向角θrとの関係を示す数値計算結果である。ここで、カットオフ波長は９８２ｎｍ と仮定している。
【００４６】
図２に示すように、波長を約５０ｎｍ 変えると、８０°に及ぶ巨大な偏向角の変化が得られることがわかる。
図３は、光偏向素子１における電磁界分布の電磁界シミュレータによる計算結果を色々な波長（９５０，９６０，９７０，９８０ｎｍ）に対して示したものである。上部が光偏向素子１からの出射光の電界を示しており、濃淡の直線が偏向光の波面を示している。波長を変化させることで、波面（すなわち偏向角）が大きく変化することがわかる。
【００４７】
したがって、光偏向素子１によれば、入射光の波長を変化させることで、広い偏向角範囲にわたって光を偏向させることができる。
また、出射光の広がり角Δθdivは、下式（３）で表される。なお式（３）において、Ｌは、光出射口２７における光導波方向の長さ（以下、光出射口長という）である。
【００４８】
【数３】
したがって、光偏向素子１によれば、光出射口長を長くするほど、偏向方位分解能を向上させることができる。
【００４９】
図４は、光偏向素子１の光出射口長と広がり角および解像点数との関係を示す図である。
図４に示すように、光出射口長を長くなるほど広がり角が小さく（偏向方位分解能が高く）なるとともに解像点数が大きくなる。例えば、光出射口長を１０ｍｍ程度まで長くすることによって、解像点数１，０００以上を実現することができる。
【００５０】
また、光偏向素子１によれば、機械的可動部を備えないために構造の簡略化が可能になるとともに、半導体デバイスの製造プロセスを適用して作製することができるために小型化が可能となり搭載自由度を向上させることができる。
【００５１】
なお、光入射口２６でのＤＢＲ１４の反射率を低下させることで、光入射口２６に入射する光を高効率に導波路に結合することができる。
以上説明した実施形態において、光ガイド層１３は本発明における光導波層、ＤＢＲ１２，１４は本発明における第１分布ブラッグ反射鏡である。
【００５２】
（第２実施形態）
以下に本発明の第２実施形態について図面とともに説明する。
図５（ａ）は本発明が適用された光偏向素子５１の断面図、図５（ｂ）は光偏向素子５１の平面図である。
【００５３】
光偏向素子５１は、図５（ａ）に示すように、半導体層５２と、半導体層５２の上面に形成された電極５３と、半導体層２の下面に形成された電極５４とを備える。
これらのうち半導体層５２は、ｎ−ＧａＡｓ基板６１上に、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなるＤＢＲ６２、ＧａＡｓからなる光ガイド層６３、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓからなる活性層６４、ＧａＡｓからなる光ガイド層６５、およびＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなるＤＢＲ６６が順次積層されて構成されている。
【００５４】
また電極５３は、ＤＢＲ６６上に、ｐ−ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層７１、およびＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる金属膜７２が順次積層されて構成されるｐ型電極である。
また電極５４は、Ａｕ―Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ型電極であり、ｎ−ＧａＡｓ基板６１の下面、すなわち半導体層５２の下面の全面にわたって形成される。
【００５５】
そして図５（ａ），（ｂ）に示すように、電極５３には、光ビームを半導体層５２内に入射させるための光入射口７６と、光ビームを半導体層５２から出射させるための光出射口７７とが電極５３を貫通して形成されている。また光出射口７７は、矩形状に形成されている。そして光出射口７７は、その長手方向の辺が予め設定されたビーム入射方向Ｄ５１に沿うように、且つ、短手方向の辺が光入射口７６と対向するように配置される。
【００５６】
また電極５３には、光入射口７６および光出射口７７が存在する領域５３ａと、光入射口７６および光出射口７７が存在しない領域５３ｂとに電極５３を分断するようにビーム入射方向Ｄ５１に直交する方向に沿って延びる分断口７９が電極５３を貫通して形成されている。
【００５７】
そして、電極５３の領域５３ａおよび領域５３ｂのうち、領域５３ａのみに、活性層６４へ電流を注入するための電圧が印加される。そして、領域５３ａと領域５３ｂとは分断口７９を介して分断されているために、領域５３ｂには電圧が印加されない。このため、活性層６４のうち、領域５３ｂと対向する領域は、活性層６４内を導波する光を吸収する領域（図５の光吸収層６４ａを参照）となる。なお本実施形態では、光吸収層６４ａの反射率は約１％以下である。
【００５８】
さらに、半導体層５２のＤＢＲ６６において、光入射口７６が形成されている領域には、その他の領域と比較して膜厚が薄くなるように凹部７８が形成されている。
このように構成された光偏向素子５１では、電極５３，５４を介した活性層６４への注入電流量に応じて、活性層６４の増幅率を変化させることができる。このため、光入射口７６から入射した光が導波路内を導波する過程で減衰した場合であっても、活性層６４での増幅によりこの減衰分の光強度を補うことができる。これにより、光出射口７７から出射する光の強度の低下を抑制することができる。また、ＤＢＲ６２，６６の反射率と、活性層６４の増幅率を調整することで、光出射口７７から出射する光の強度を伝搬方向に対して一定にすることができる。これによって、同時に光出射口長を長くすることで、偏向方位分解能を向上させることができる。
【００５９】
なお、入射光の波長を変えた場合に、ＤＢＲ６２，６６で構成される導波路における垂直方向の定在波分布は一定のため、導波路を伝搬する光の伝搬角は変化する。また、光出射口７７から放射される光の波長は、入射光の波長と同一である。
【００６０】
また、光が導波する導波方向に沿って、光出射口７７が形成されている領域を挟んで光入射口７６が形成されている領域とは反対側において活性層６４に隣接して配置され、活性層６４を導波する光を吸収する光吸収層６４ａを備える。これにより、光入射口７６から入射した光が、導波路内を導波方向に沿って導波し、活性層６４と光吸収層６４ａとの境界に到達すると、この光が光吸収層６４ａで吸収される。これにより、光吸収層６４ａに到達した光が反射して光入射口７６側に戻って光の伝搬が不安定になるという状況の発生を抑制することができる。
【００６１】
なお、ＤＢＲ６６の反射率と活性層６４への注入電流を制御することで、光出射口７７から出射する光の強度とその伝搬方向の強度分布を制御することができる。
以上説明した実施形態において、活性層６４は本発明における第１活性層、ＤＢＲ６２，６６は本発明における第１分布ブラッグ反射鏡、電極５３，５４は本発明における第１電流注入用電極である。
【００６２】
（第３実施形態）
以下に本発明の第３実施形態について図面とともに説明する。
図６は本発明が適用された光偏向モジュール１０１の断面図である。
【００６３】
光偏向モジュール１０１は、図６に示すように、第２実施形態の光偏向素子５１と、光偏向素子５１に隣接するようにして光偏向素子５１と同一のｎ−ＧａＡｓ基板６１上に形成された波長可変面発光レーザ１１０とから構成されている。
【００６４】
波長可変面発光レーザ１１０は、光を放出する光放出部１１１と、光放出部１１１からの光の波長を予め設定された波長範囲内における所望の値に調整する波長調整部１１２とから構成される。
【００６５】
光放出部１１１は、ｎ−ＧａＡｓ基板６１上に、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなるＤＢＲ６２、ＧａＡｓからなる光ガイド層６３、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓからなる活性層６４、ＧａＡｓからなる光ガイド層６５、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなるＤＢＲ６６、およびＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ型電極１２１が順次積層されて構成されている。
【００６６】
なお、光放出部１１１の活性層６４と光偏向素子５１の活性層６４との間には、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓが酸化した酸化層１２２が形成されるとともに、光放出部１１１の活性層６４を挟んで酸化層１２２とは反対側に、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓが酸化した酸化層１２３が形成される。これにより、波長可変面発光レーザ１１０内の活性層６４において、酸化されていない所望の領域のみで光を発生させることができる。
【００６７】
またｐ型電極１２１は、光ガイド層６５上において、活性層６４の一部と対向するように形成される。
波長調整部１１２は、空気層ＡＬを挟んで光放出部１１１と対向するように配置されるカンチレバー１３１と、カンチレバー１３１と光ガイド層６５との間に配置されてカンチレバー１３１を支持する支持部１３２とから構成される。
【００６８】
カンチレバー１３１は、光放出部１１１に近い側から、光偏向素子５１のｐ型コンタクト層７１と同じ材料で構成された層１４１、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなるＤＢＲ１４２、およびＤＢＲ１４２と膨張率が異なる材料で構成された層１４３が順次積層されるとともに、層１４３上にＤＢＲ１４４とヒータ１４５が積層されて構成されている。
【００６９】
なおＤＢＲ１４４は、層１４３上において、光放出部１１１の活性層６４と対向するように形成される。
またヒータは、不図示の電極から電圧供給を受けて発熱して層１４３を加熱するものであり、層１４３上においてＤＢＲ１４４が形成されていない領域に形成される。
【００７０】
支持部１３２は、光ガイド層６５上に積層されたＤＢＲ６６について、支持部１３２に対応する領域以外をエッチングすることにより形成される。したがって、光偏向素子５１のＤＢＲ６６と波長可変面発光レーザ１１０の支持部１３２との間でＤＢＲ６６がエッチングされた領域が空気層ＡＬとなる。
【００７１】
このように構成された光偏向モジュール１０１では、ヒータ１４５によりカンチレバー１３１の層１４３を加熱することにより、ＤＢＲ１４２と光偏向素子５１の活性層６４との間の距離を予め設定された移動範囲内で変化させることにより（図６中の破線で記載されたカンチレバー１３１を参照）、上記距離に応じた波長のレーザ光を発光する波長可変面発光レーザ１１０を備える。そして、波長可変面発光レーザ１１０内で発生した光は、狭い酸化層１２２を介して、その一部が横方向に漏れることで、波長可変面発光レーザ１１０からのレーザ光を光偏向素子５１の導波路内に導く（図６中の矢印Ｄ１０１を参照）。
【００７２】
この波長可変面発光レーザ１１０は、端面発光レーザと異なり、基板表面に対して垂直方向にレーザ光を照射することができるため、光偏向素子５１と同一の基板上に作製することができる。これにより、光偏向素子５１とレーザとを別々に作製した後に結合する必要がなく、製造工程を簡略化することができる。
【００７３】
また、波長可変面発光レーザ１１０の活性層６４の周囲には酸化層１２２，１２３が形成されている。これにより、注入電流を活性領域に狭搾し、波長可変面発光レーザ１１０の活性層６４周囲における不要な発光を抑制することができる。
【００７４】
また、光吸収層６４ａを備えるため、入射した光が、導波路内を導波方向に沿って導波し、活性層６４と光吸収層６４ａとの境界に到達すると、この光が光吸収層６４ａで吸収される。これにより、光吸収層６４ａに到達した光が反射して波長可変面発光レーザ１１０側に戻って、波長可変面発光レーザ１１０の発振が不安定になるという状況の発生を抑制することができる。
【００７５】
以上説明した実施形態において、波長可変面発光レーザ１１０は本発明における第１波長可変手段、波長可変面発光レーザ１１０の活性層６４は本発明における第２活性層、波長可変面発光レーザ１１０のＤＢＲ６２は本発明における下側第２分布ブラッグ反射鏡、ＤＢＲ１４２は本発明における反射層、層１４３およびヒータ１４５は本発明における反射層移動手段、酸化層１２２，１２３は本発明における酸化層である。
【００７６】
また、層１４３は本発明における異膨張率層、ヒータ１４５は本発明における加熱手段である。
（第４実施形態）
以下に本発明の第４実施形態について図面とともに説明する。
【００７７】
図７は本発明が適用された光偏向モジュール１５１の構成を示す図である。
光偏向モジュール１５１は、図７に示すように、第３実施形態の光偏向モジュール１０１と、コリメートレンズ１６１と、１軸ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラー１６２を備える。
【００７８】
コリメートレンズ１６１は、光偏向モジュール１０１から照射された光ビームを平行光に変換して、１軸ＭＥＭＳミラー１６２に向けて照射する。
１軸ＭＥＭＳミラー１６２は、コリメートレンズ１６１から照射された光ビームを、光偏向モジュール１０１の光ビーム偏向方向Ｄ１５１と直交する光走査方向Ｄ１５２に走査する。
【００７９】
このように構成された光偏向モジュール１５１では、光を２次元走査する場合において、光ビーム偏向方向Ｄ１５１の走査を光偏向モジュール１０１の光偏向素子５１が行い、これにより、光ビーム偏向方向Ｄ１５１の走査について機械的可動部が不要となるため、その分、２次元走査機構の構造を簡略化することができる。
【００８０】
（第５実施形態）
以下に本発明の第５実施形態について図面とともに説明する。
図８は本発明が適用された光偏向モジュール２０１の断面図である。
【００８１】
光偏向モジュール２０１は、図８に示すように、第３実施形態の光偏向モジュール１０１と、光偏向モジュール１０１の光偏向素子５１に隣接するようにして光偏向素子５１と同一のｎ−ＧａＡｓ基板６１上に形成された波長可変面発光レーザ２１１とから構成されている。
【００８２】
このように構成された光偏向モジュール２０１では、光出射口７７の両側から光を入射して、その光を光出射口７７から出射することができる。このため、光出射口７７の一端側から入射して光出射口７７から出射する光の出射方向と、その反対側から入射して光出射口７７から出射する光の出射方向とが逆になる。このため、光出射口７７の一端側とその反対側とに光を入射させることにより、光出射口７７から出射する光の出射角範囲を拡げることができる。例えば、波長可変面発光レーザ１１０と波長可変面発光レーザ２１１が同じ波長範囲でレーザ光の波長を変化させるともに、波長可変面発光レーザ１１０と波長可変面発光レーザ２１１とが交互に光を入射するようにすれば、光偏向モジュール１０１と比較して２倍の出射角範囲を実現することができる。
【００８３】
以上説明した実施形態において、波長可変面発光レーザ２１１は本発明における第２波長可変手段である。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採ることができる。
【００８４】
例えば上記第３実施形態においては、ＤＢＲ１４２と膨張率が異なる材料で構成された層１４３とヒータ１４５とを用いてカンチレバー１３１を移動させるものを示したが、カンチレバー１３１と光放出部１１１との間に印加される電圧を変化させることによりカンチレバー１３１を移動させるようにしてもよい。
【００８５】
また、光出射口に薄膜プリズムを形成することで、偏向角の中心角度を制御するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００８６】
１…光偏向素子、２…半導体層、３…電極、１１…ＧａＡｓ基板、１２，１４…ＤＢＲ、１３…光ガイド層、２１…コンタクト層、２２…金属膜、２６…光入射口、２７…光出射口、２８…凹部、５１…光偏向素子、５２…半導体層、５３，５４…電極、６１…ｎ−ＧａＡｓ基板、６２，６６…ＤＢＲ、６３，６５…光ガイド層、６４…活性層、６４ａ…光吸収層、７１…ｐ型コンタクト層、７２…金属膜、７６…光入射口、７７…光出射口、７８…凹部、７９…分断口、１０１…光偏向モジュール、１１０…波長可変面発光レーザ、１１１…光放出部、１１２…波長調整部、１２１…ｐ型電極、１２２，１２３…酸化層、１３１…カンチレバー、１３２…支持部、１４１…層、１４２，１４４…ＤＢＲ、１４３…層、１４５…ヒータ、１５１…光偏向モジュール、１６１…コリメートレンズ、１６２…１軸ＭＥＭＳミラー、２０１…光偏向モジュール、２１１…波長可変面発光レーザ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を光が導波する光導波層と、前記光導波層の上面および下面から放出される光を反射するために前記光導波層の上面および下面それぞれに形成された第１分布ブラッグ反射鏡とを備える導波路と、
前記導波路内に光を入射させるための光入射口と、
前記光入射口から入射して前記導波路内を導波する光を出射させるために、前記導波路の表面に形成された光出射口とを備える
ことを特徴とする光偏向素子。
【請求項２】
前記光導波層は、
電流が注入されることにより、前記光入射口から入射する光を増幅する第１活性層を備え、
当該光偏向素子は、
前記第１活性層に電流を注入するための第１電流注入用電極を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の光偏向素子。
【請求項３】
光が導波する導波方向に沿って、前記光出射口が形成されている領域を挟んで前記光入射口が形成されている領域とは反対側において前記光導波層に隣接して配置され、前記光導波層を導波する光を吸収する光吸収層を備える
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光偏向素子。
【請求項４】
請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の光偏向素子と、
前記光入射口に入射する光の波長を予め設定された第１波長範囲内で変化させることができる第１波長可変手段とを備える
ことを特徴とする光偏向モジュール。
【請求項５】
前記第１波長可変手段は、
電流が注入されることにより光を発生させる第２活性層と、
前記第２活性層で発生した光を反射するために前記第２活性層の下面に形成された下側第２分布ブラッグ反射鏡と、
前記第２活性層の上方において、空隙を介して前記第２活性層と対向するように配置され、前記第２活性層で増幅される光を反射する反射層と、
前記反射層を移動させることにより、前記反射層と前記第２活性層との間の距離を予め設定された移動範囲内で変化させることができる反射層移動手段と
を備える波長可変面発光レーザである
ことを特徴とする請求項４に記載の光偏向モジュール。
【請求項６】
前記第２活性層の周囲には酸化層が形成されている
ことを特徴とする請求項５に記載の光偏向モジュール。
【請求項７】
前記反射層移動手段は、
前記反射層上に積層され前記反射層と熱膨張率が異なる材料で構成された層である異膨張率層と、
前記異膨張率層を加熱する加熱手段とから構成され、
前記異膨張率層の温度を変化させることにより前記反射層を移動させる
ことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の光偏向モジュール。
【請求項８】
前記反射層移動手段は、
前記反射層と前記第２活性層との間に印加される電圧を変化させることにより前記反射層を移動させる
ことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の光偏向モジュール。
【請求項９】
請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の光偏向素子から出射された光を平行光に変換して照射するコリメートレンズと、
前記コリメートレンズから照射された光を、前記光偏向素子の光偏向方向と直交する光走査方向に走査する１軸ＭＥＭＳミラーとを備える
ことを特徴とする請求項４〜請求項８の何れか１項に記載の光偏向モジュール。
【請求項１０】
請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の光偏向素子は、前記導波路内に光を入射させるために、前記光出射口を挟んで前記光入射口とは反対側から光を入射可能になるように構成され、
前記反対側から入射する光の波長を予め設定された第２波長範囲内で変化させることができる第２波長可変手段を備える
ことを特徴とする請求項４〜請求項９の何れか１項に記載の光偏向モジュール。
【請求項１】
内部を光が導波する光導波層と、前記光導波層の上面および下面から放出される光を反射するために前記光導波層の上面および下面それぞれに形成された第１分布ブラッグ反射鏡とを備える導波路と、
前記導波路内に光を入射させるための光入射口と、
前記光入射口から入射して前記導波路内を導波する光を出射させるために、前記導波路の表面に形成された光出射口とを備える
ことを特徴とする光偏向素子。
【請求項２】
前記光導波層は、
電流が注入されることにより、前記光入射口から入射する光を増幅する第１活性層を備え、
当該光偏向素子は、
前記第１活性層に電流を注入するための第１電流注入用電極を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の光偏向素子。
【請求項３】
光が導波する導波方向に沿って、前記光出射口が形成されている領域を挟んで前記光入射口が形成されている領域とは反対側において前記光導波層に隣接して配置され、前記光導波層を導波する光を吸収する光吸収層を備える
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光偏向素子。
【請求項４】
請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の光偏向素子と、
前記光入射口に入射する光の波長を予め設定された第１波長範囲内で変化させることができる第１波長可変手段とを備える
ことを特徴とする光偏向モジュール。
【請求項５】
前記第１波長可変手段は、
電流が注入されることにより光を発生させる第２活性層と、
前記第２活性層で発生した光を反射するために前記第２活性層の下面に形成された下側第２分布ブラッグ反射鏡と、
前記第２活性層の上方において、空隙を介して前記第２活性層と対向するように配置され、前記第２活性層で増幅される光を反射する反射層と、
前記反射層を移動させることにより、前記反射層と前記第２活性層との間の距離を予め設定された移動範囲内で変化させることができる反射層移動手段と
を備える波長可変面発光レーザである
ことを特徴とする請求項４に記載の光偏向モジュール。
【請求項６】
前記第２活性層の周囲には酸化層が形成されている
ことを特徴とする請求項５に記載の光偏向モジュール。
【請求項７】
前記反射層移動手段は、
前記反射層上に積層され前記反射層と熱膨張率が異なる材料で構成された層である異膨張率層と、
前記異膨張率層を加熱する加熱手段とから構成され、
前記異膨張率層の温度を変化させることにより前記反射層を移動させる
ことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の光偏向モジュール。
【請求項８】
前記反射層移動手段は、
前記反射層と前記第２活性層との間に印加される電圧を変化させることにより前記反射層を移動させる
ことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の光偏向モジュール。
【請求項９】
請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の光偏向素子から出射された光を平行光に変換して照射するコリメートレンズと、
前記コリメートレンズから照射された光を、前記光偏向素子の光偏向方向と直交する光走査方向に走査する１軸ＭＥＭＳミラーとを備える
ことを特徴とする請求項４〜請求項８の何れか１項に記載の光偏向モジュール。
【請求項１０】
請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の光偏向素子は、前記導波路内に光を入射させるために、前記光出射口を挟んで前記光入射口とは反対側から光を入射可能になるように構成され、
前記反対側から入射する光の波長を予め設定された第２波長範囲内で変化させることができる第２波長可変手段を備える
ことを特徴とする請求項４〜請求項９の何れか１項に記載の光偏向モジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−１６５９１（Ｐ２０１３−１６５９１Ａ）
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４７５１７（Ｐ２０１１−１４７５１７）
【出願日】平成２３年７月１日（２０１１．７．１）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１日（２０１１．７．１）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
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