光偏转器及激光雷达装置的制作方法

本发明涉及控制光的行进方向、发射偏转的出射光束的光偏转器及具备光偏转器的激光雷达装置。

背景技术：

在激光打印机、激光显示器、三维激光计量等使用的激光雷达(LIDAR(Light Detection and Ranging,Laser Imaging Detection and Ranging))的领域等中，采用光偏转器来进行偏转、扫描光的光束扫描。

作为光偏转器，已知有采用机械转镜的构成、采用相控阵的构成、利用波导的光泄露的构成等。

作为采用机械转镜的构成，已知有多角镜、基于MEMS技术的小型集成镜。

采用相控阵的构成是利用多道光干涉形成光束时，光的相位导致光束的方向变化的现象的构成，将集成于基板上的光波导的光分流到多个波导，从各波导端面、或者利用衍射光栅发射到自由空间(非专利文献1)。

作为利用波导的光泄露的构成，有多层膜结构的波导或带有衍射光栅的波导。就多层膜结构的漏光波导而言，当多层膜所夹持的波导中传播的光发生泄露并进行发射时，利用对各位置的发射角的规整来形成光束，且可以通过改变光的波长或波导的折射率来扫描光束。并且，如果在以与多层膜的角度分散大的条件(慢光条件)相接近的波长进行运转，则对于波长或折射率的灵敏度增高，可以加大光束扫描角度(非专利文献2)。

就带有衍射光栅的波导而言，利用弱的衍射光栅从波导缓缓泄露光来形成光束，并可以基于波长或波导折射率来扫描光束(专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第5662266号

非专利文献

非专利文献1：“One-Dimensional Off-Chip Beam Steering and Shaping Using Optical Phased Arrays on Silicon-on-Insulator”Karel Van Acoleyen,Katarzyna Komorowska,Wim Bogaert,Roel Baets JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY,VOL.29,NO.23,DECEMBER 1,2011

非专利文献2：“Giant and high-resolution beam steering using slow-light waveguide amplifier”Xiaodong Gu,Toshikazu Shimada,and Fumio Koyama 7November 2011/Vol.19,No.23/OPTICS EXPRESS 22683

技术实现要素：

发明要解决的问题

采用机械转镜的构成通常为数cm见方以上的大型化以外，还具有可动部。具备可动部的构成存在着如可靠性低、运转速度被限制在kHz数量级的问题。搭载在汽车等移动物中时需要具有对于震动的耐受性，因而可靠性低是大问题。

采用相控阵的构成或利用波导的光泄露的构成具有机械性的可动部，因而可以消除机械转镜的构成所具有的问题，但它们分别需要考虑以下几点。

在采用相控阵的构成中，当各波导的相位出现哪怕微小的紊乱时，则所形成的光束呈多峰，光束品质急剧变差。波导的数量少时可以校正各波导的相位，但存在着用数量少的波导所得到的光束在远处发生扩散、品质变差的问题。用光束的锐度、扩散角的窄度、分辨率点数等评估光束的品质。为了抑制光束的品质变差，需要多个波导，但多个波导的相位调制近乎不现实，非常困难。

硅光子的光集成技术是在Si(硅)上用Si类材料来单片集成诸如光波导或感光元件、光调制器等器件的光集成技术，混合集成III-V族半导体时也可以加入发光元件。硅光子与Si-CMOS制造工艺的整合性好，因而在光集成技术中是不可或缺的技术。

就利用波导的光泄露的构成而言，如果光的泄露为低速，从长的区域泄露，则在远处也不会扩散，从而可以得到高的光束品质。然而，多层膜结构的漏光波导易于调整该漏光速度，从而可以得到高的光束品质，利用慢光条件下的布拉格反射可以加大扫描角度，但没有与光集成技术的硅光子的整合性。

另一方面，带有衍射光栅的波导可以采用硅光子的光集成技术，但不生成慢光，无法利用慢光条件下的布拉格反射来得到大的光束扫描角度。在外部插入透镜等光学元件后可以扩大光束扫描角度，但与此同时光束扩散角会增大，从而分辨率点数受到限制。这里，分辨率点数被定义为最大光束扫描角度与光束扩散角之比，通常被用作为光束偏转器件的性能指数。此外，光束扫描角度为扫描出射光束时的出射角度的振动幅度，出射角度的角度范围越大，越可以得到大的光束扫描角度。

因此，就非机械性的光偏转器而言，需要满足光束中的光束品质高及偏转大的角度范围、及与硅光子的光集成技术的整合性两者。

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种光偏转器，该光偏转器兼具慢光带来的高的光束品质及偏转大的角度范围的出射角度、和器件的构成中与硅光子的光集成技术的整合性。

用于解决问题的方法

本发明的光偏转器为具备折射率的周期结构的硅光子器件，具备

(1)传播光的光传播部为形成在硅等具有高折射率介质的光波导层上的精细结构的构成，

(2)构成光传播部的精细结构为生成慢光的周期结构、和发射光的周期结构这两个周期结构的构成。

基于(1)的在硅上形成的精细结构，从而能够应用硅光子的光集成技术来形成光偏转器，基于(2)的生成慢光的周期结构和发射光的周期结构这两个周期结构，从而能够形成具备高的光束品质和偏转呈大的角度范围的光束。

光偏转器的周期结构具备

(a)构成为在硅的第一折射率介质中以周期a具备第二低折射率介质，将周期方向的至少一端作为入射端的光波导部的第一周期结构，

(b)构成为在第一折射率介质中以比第一周期结构的周期a更长的周期Λ(a<Λ<2a)具备第二折射率介质，将周期方向的侧端作为出射端的出射部的第二周期结构，

并具备

(c)第二周期结构的配置位置为在第一周期结构的光波导部中传播的光的强度分布的周围(尾部)的构成，

(d)周期a为a＝λ/2n(n为在第一周期结构的光波导部中传播的光的等效折射率，λ为布拉格波长附近的波长)的构成。

基于第一周期结构，光波导部在满足a＝λ/2n的布拉格波长附近生成光子带隙(带阻)，光波导部内的群折射率ng变大，生成群速度小的慢光。慢光在周围具有电磁场的强度分布的扩散(渗出成分)的同时进行传播。基于第二周期结构，出射部与光波导部的慢光的渗出成分结合后使之散射及衍射，并使之相对于波导部行进方向向上方或斜向缓缓发射。出射光束沿着波导部行进方向并从大的范围射出，且其发射的相位整齐划一，形成高品质的锐利光束。

另外，光的波长λ或波导部的折射率n的微小变化会导致慢光的传播常数β剧烈变化。如果第一周期结构的传播常数β变化，则与第二周期结构的结合条件产生变化，出射光束的角度θ改变。因此，通过改变光的波长λ或波导的折射率n来改变传播常数β，可以改变出射光束的角度θ。

形成这样的构成，即在第一周期结构及第二周期结构中，第一周期结构的刻纹大于第二周期结构的刻纹。

周期结构的刻纹为与周期结构形成的光在周期结构的折射率介质中进行传播的行进方向相垂直的深度方向上的大小，基于刻纹的大小，该周期结构所具有的对于光的作用强度会有所不同。

当第一周期结构由在折射率介质中具有周期性的孔洞的光子晶体构成时，第一周期结构的刻纹为设置在光子晶体中的孔洞。另一方面，当第二周期结构由在折射率介质中形成了凹凸的衍射光栅构成时，第二周期结构的刻纹为凹凸，当由在折射率介质中具有周期性的孔洞的光子晶体构成时，第二周期结构的刻纹为设置在光子晶体中的孔洞的深度。

通过使第一周期结构的刻纹大于第二周期结构的刻纹，从而在第一周期结构中生成慢光，其渗出成分与第二周期结构结合后，光以低速从第二周期结构中泄露并衍射，进而以出射光束的形式发射。

第一周期结构的光波导部为慢光波导，慢光波导可以是由光子晶体构成的光子晶体波导。另外，第二周期结构的出射部的衍射光栅也可以由光子晶体构成。

第一周期结构的光子晶体波导的构成可以是多个形式。例如，可以是在与硅基板上的包层之间具备空气层的空气桥型慢光波导的形式、或在包层内包埋的包层包埋型慢光波导的形式。

第二周期结构的衍射光栅的构成也可以是多个形式。例如，可以是表面衍射光栅的形式、具备空气层的空气桥型衍射光栅的形式、在包层内包埋的包埋型衍射光栅的形式、或在硅基板上形成的形式。

就空气桥型衍射光栅的形式而言，可以通过在空气桥型慢光波导之间、或在包层包埋型慢光波导的包层之间夹持着空气层设置折射率不同的衍射光栅的层来形成衍射光栅。

就包埋型衍射光栅的形式而言，可以通过在包埋有包层包埋型慢光波导的包层中，在上包层的上部、上包层、或者下包层的包层内包埋折射率不同的衍射光栅的层来形成衍射光栅。

就在硅基板上形成的形式而言，可以在与包层接触的硅基板部分直接刻制凹凸形状来形成衍射光栅。

另外，在光子晶体中设置衍射光栅的配置位置也可以是多个形式。例如，可以是将衍射光栅设置在光子晶体波导的两侧的形式、将衍射光栅设置在光子晶体波导的上部表面的形式。

构成慢光波导的光子晶体波导可以由光子晶体的周期结构分为短周期和长周期两种周期的双重周期结构构成，短周期的周期结构增大刻纹来构成第一周期结构的慢光波导，长周期的周期结构减小刻纹来构成第二周期结构的衍射光栅。

并且，第一及第二周期结构可以是具有直线状周期结构的一维光子晶体波导、或者是平面状周期结构中具有直线缺陷部的二维光子晶体波导。

在第二周期结构的下方基板侧可以具备反射出射部发射的出射光的反射部。反射部可以使出射部发射的出射光中的、朝向内部方向的出射光向外部方向反射，从而增加出射光的光量。

(双重周期结构的其他构成例)

双重周期结构的其他构成例是在光子晶体的面内沿着波导反复设置两种不同直径的圆孔的双重周期结构。该双重周期结构具备反复设置大直径圆孔的周期结构、和反复设置小直径圆孔的周期结构，将标准圆孔的直径设设为2r、直径的相差幅度设为2Δr时，大直径圆孔的直径为2(r+Δr)，小直径圆孔的直径为2(r-Δr)。

(控制出射角度的构成)

在出射光束的出射角度θ的变化中，出射角度θ的灵敏度与光的波长λ或构成第一周期结构的折射率介质的折射率n相关地产生变化，微小的波长变化或折射率变化会导致出射角度θ急剧变化。

本发明的光偏转器可以具备控制入射光的波长的波长控制部、以及/或者控制第一周期结构和/或第二周期结构的折射率的折射率控制部来作为控制出射光束的出射角度的构成。

基于波长控制部导致的入射光波长λ的变化、和/或折射率控制部导致的周期结构中的折射率介质折射率n的变化，可以改变出射光束的出射角度θ。

另外，为了控制波长控制部的波长变化和/或折射率控制部的折射率变化，可以具备控制部。控制部通过对波长变化和/或折射率变化进行时间控制，可以按照时序逐步改变出射角度θ。通过逐步改变出射角度θ，可以扫描(scan)出射光束。

(将出射光束的出射角度规整到一个方向的构成)

在出射部的发射方向的前方具备将从出射部扩散的出射光束的出射角度规整到一个方向的光学系统(柱面透镜)。利用该光学系统，可以将出射部扩散的周期光束的扩散规整到一个方向，可以提高出射光束的光束品质。

(扩大出射角度的范围的构成)

经由光路切换开关光路可在光波导部的两端自由切换地连接两个光路。利用光路切换开关光路，将入射光切换并射入到两个光路中，从光偏转器的光波导部的两端切换并射入入射光。出射角度θ也会基于传播常数β的朝向发生改变，因而通过用光路切换开关改变入射到第一周期结构的光波导部中的光的朝向来扩大出射角度θ的角度范围。

(二维光束扫描)

本发明的光偏转器除了适用于将出射光束的角度变化的方向在一个方向上来进行的一维光束扫描以外，还可以适用于将出射光束的角度变化的方向在两个不同方向上来进行的二维光束扫描。

进行二维光束扫描的第一实施形式具备平行配置多个光波导部而构成的阵列构成、和将入射光切换并射入到呈阵列构成的多个光波导部的至少任意一个中的入射光切换开关，在阵列构成的发射方向的前方配置将出射光束的出射角度规整到一个方向的柱面透镜等光学系统。

利用出射部的方向所决定的第一发射方向的光束扫描、与入射光切换开关带来的光波导部的选择所决定的第二发射方向的光束扫描的组合来进行二维光束扫描。

进行二维光束扫描的第二实施方式具备由阵列构成及相位调制器所构成的相控阵，通过用相位调制器进行各光波导部的入射光的相位调制来进行二维扫描，所述阵列构成是平行配置多个光波导部而构成的阵列构成，所述相位调制器是使相位调制后的入射光射入到呈阵列构成的多个光波导部中的相位调制器。

(利用反射光的装置)

本发明的光偏转器可以接收出射光反射后返回的反射光，可以应用于利用反射光的装置。利用反射光的激光雷达装置可以是具备光偏转器、向光偏转器射入脉冲光的脉冲光源、及检测光偏转器接收的光的光检测部的构成。光偏转器在出射光的发射和该出射光生成的反射光的入射的两个方向上输入、输出光。就激光雷达装置而言，可以用一个光偏转器进行出射光的发射和反射光的入射。激光雷达装置也可以是具备对朝向光偏转器的脉冲光和光偏转器接收的光进行切换的切换部的构成。

切换部的第一实施方式可以用设置于在脉冲光源与光偏转器之间的光波导处的、在一端具备光检测部的分流通路来构成。

切换部的第二实施方式可以用设置于在脉冲光源与光偏转器之间的光波导处的、在脉冲光源和光检测部之间进行切换的光开关来构成。

切换部的第三实施方式可以用设置于在脉冲光源与光偏转器之间的光波导处的、可自由切换光波导和光检测的光检测部来构成。

切换部的第四实施方式可以用兼具脉冲光源和光检测部的、能自由切换脉冲光的生成和光检测的元件来构成，例如，可以对脉冲光源的半导体激光器施加反向偏压来使之作为光电二极管运转。

发明的效果

如上所述，本发明的光偏转器为具有与硅光子的整合性、生成慢光效果的漏光波导型的光偏转器，同时具有使光束以高的光束品质及大的偏转角度偏转发射方向的性能、及与硅光子的光集成技术的整合性。

附图说明

图1是用于说明本发明的光偏转器的构成的示意图。

图2是表示本发明的光偏转器的构成例的图。

图3是用于说明控制本发明的光偏转器的出射角度的构成的图。

图4是用于说明本发明的光偏转器的出射光束的扫描动作的图。

图5是用于说明由光子晶体形成的慢光波导的图。

图6是用于说明慢光的发射条件的图。

图7是用于说明慢光的发射条件的图。

图8是用于说明本发明的光偏转器的光波导部的构成例的图。

图9是用于说明本发明的光偏转器的光波导部的构成例的图。

图10是用于说明本发明的光偏转器的出射部的构成例的图。

图11是用于说明多重周期结构的本发明的光偏转器的构成的图。

图12是表示本发明的光偏转器的光子能带、群折射率ng谱、相对于波长λ的发射角θ及相对于波长λ的发射损耗α的图。

图13是用于说明扩大本发明的光偏转器的出射角度的构成例的图。

图14是用于说明扩大本发明的光偏转器的出射角度的构成例的图。

图15是用于说明本发明的光偏转器的二维光束扫描的构成例的图。

图16是用于说明本发明的光偏转器的二维光束扫描的构成例的图。

图17是用于说明将本发明的光偏转器应用在利用反射光的装置的情形的图。

图18是用于说明本发明的激光雷达装置的实施方式的图。

部件代表符号说明

1光偏转器、1a,1b光偏转器、2光波导部、2A一维光子晶体波导、2B一维光子晶体波导、2C～2H二维光子晶体波导、2a慢光波导、2b上部包层、2c下部包层、3出射部、3B空气桥型衍射光栅、3C空气桥型衍射光栅、3D～3J衍射光栅、3a表面衍射光栅、3b,3c圆孔、4波长控制部、5折射率控制部、6出射角度控制部、7,7a,7b开关、8a～8f光路、9,9a柱面透镜、9b塑料模、10入射波导、11切换部、12相位调制器、13阵列集成、14功率分配器、15阵列集成、21高折射率介质、22低折射率介质、23折射率变更部、31高折射率介质、32低折射率介质、33折射率变更部、40高折射率基板、41基板、42反射镜、50脉冲光源、60光检测部、70滤光器、80入射波导、90光开关、100激光雷达装置

具体实施方式

以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。以下，用图1～图3说明本发明的光偏转器的示意性构成例及运转情形，用图4说明出射光束的扫描动作，用图5说明由光子晶体形成的慢光波导，用图6、图7说明慢光的发射条件，用图8、图9说明光波导部的构成例，用图10～图12说明出射部的构成例，用图13、图14说明扩大出射角度的构成例，用图15、图16说明二维光束扫描的构成例，用图17说明将光偏转器应用在利用反射光的装置的情形，用图18说明本发明的激光雷达装置的实施方式。

(光偏转器的概要)

光偏转器的构成

图1是用于说明光偏转器的构成的示意图。图1(a)是用于说明示意性构成的图，图1(b)是用于说明光偏转器的周期结构示意图。

图1(a)中，光偏转器1具备传播入射光的光波导部2、使光波导部2渗出的光衍射并以出射角度θ发射出射光束的出射部3。

图1(b)中，光偏转器1具备折射率进行周期性变化的折射率的周期结构。周期结构具备第一周期结构和第二周期结构这两个周期结构。

第一周期结构构成为：相对于硅基材的第一折射率介质以周期a具备第二折射率介质，将周期方向的至少一端作为入射端的光波导部2。

第二周期结构构成为：在第一折射率介质中以比第一周期结构的周期a更长的周期Λ(a<Λ<2a)具备第二折射率介质，将周期方向的侧端作为出射端的出射部3。就第一折射率介质而言，例如，可以选用比第二折射率介质折射率高的折射率介质。

第二周期结构以接近光波导部2的传播光的渗出距离以内的方式来配置，且被配置于在第一周期结构中传播的传播光的电场强度分布的周围。第一周期结构的周期a用a＝λ/2n的关系来表示，其中n为在第一周期结构中传播的传播光的等效折射率，λ为布拉格波长附近的波长。

可以利用硅光子的光集成技术来形成光偏转器1的周期结构。

从在光波导部2中传播的传播光渗出的光耦合至出射部3的第二周期结构后，以出射角度θ被衍射，进而被作为出射光束发射。

图2示出了光偏转器1的构成例。图2(a)中，就光偏转器1的光波导部2而言，在第一折射率介质的上部包层2b和下部包层2c之间具备以周期a配置第二折射率介质而成的慢光波导2a。慢光波导2a由第一周期结构形成，所述第一周期结构是相对于第一折射率介质的折射率的包层，以周期a周期性地配置第二折射率介质而成的第一周期结构。第一折射率介质可以选用比第二折射率介质折射率高的介质。如果针对用深度蚀刻折射率大的材料等方式所形成的刻纹大的周期结构，使光从传播于该周期结构的方向射入，则产生群速度小的光(慢光)。慢光波导2a在低群速度下以慢光模式传播从一端射入的入射光。

光偏转器1的出射部3在与上部包层2b临接的位置处具备表面衍射光栅3a。表面衍射光栅3a具备周期Λ的凹凸形状。周期Λ的凹凸形状在构成表面衍射光栅3a的折射率介质的折射率n与空气等外部介质的折射率nout之间构成周期Λ的第二周期结构。

就基于第一周期结构的慢光波导2a的慢光而言，光的波长λ或波导的折射率n等的传播状况的微小变化导致传播常数β急剧变化。这种光向周围扩散电磁场(渗出成分)的同时进行传播。如果在与该渗出成分微微接触的距离，配置用折射率小的材料或浅的蚀刻等形成的刻纹具备小的周期结构(第二周期结构)的出射部3，则慢光与之结合后进行散射和衍射，进而向上方或斜向缓缓发射。发射会沿着波导行进方向在大的范围发生，且相位齐整划一。因此，在沿着传播方向的横向观察光偏转器时，出射光束呈现为高品质的锐利光束。

如果改变入射光的波长λ、或构成第一周期结构的折射率介质的折射率n，则光波导部2的传播常数β发生变化，与出射部3的第二周期结构的结合条件随之发生变化。其结果，出射光束的出射角度θ发生变化。

衍射光栅的光不局限于向斜上方，也向斜下方发射。光偏转器的结构为上下不对称，虽然不会发射强度完全相同的光，但也产生向斜下方的发射。图2(b)示出了将向斜上方的发射作为向上的衍射光、将向斜下方的发射作为向下的衍射光的情形。

光偏转器1可以是在下部包层2c的下方具备反射部的构成。图2(c)、图2(d)示出了具备反射部的构成例。

图2(a)所示的构成例示出了作为结构的基板而采用Si等高折射率介质的情形。这里，向下的发射光在下部包层2c与高折射率基板40的交界面发生反射，返回到斜上方。如果优化下部包层2c的厚度，促使反射的光与预先向斜上方发射的光发生相长干涉，则可以在整体上加强向斜上方的发射。图2(d)所示的构成例为这样的构成，即在基板41和下部包层2c之间插入金属反射镜或多层膜反射镜等反射镜42，进一步增强向斜上方的发射。

(出射角度的控制)

其次，说明基于慢光的出射角度θ的控制。

出射角度的变化

群速度小的光、即慢光的传播常数β取决于光的波长λ或构成第一周期结构的折射率介质的折射率n而产生变化。如果该慢光结合于第二周期结构，则传播常数β转换为βN＝β-(2π/Λ)N。这里，N为整数。

该转换的传播常数βN的值成为面水平方向的波数，向自由空间发射光。自由空间的光的波数为k0＝2π/λ时，面垂直方向为0°的出射角度θ如下述式(1)所示。

θ＝sin^-1(βN/k0)＝sin^-1nN…(1)

这里，nN＝βN/k0。

根据式(1)，发射光的条件为nN≤1，传播常数β如下述式(2)所示。

β-(2π/Λ)N≤k0…(2)

以下，基于上述式(1)、(2)求出与波长λ或折射率n对应的出射角度θ的灵敏度。

[与波长λ对应的出射角度θ的灵敏度]

与波长λ对应的出射角度θ的灵敏度用下述式(3)来表示。

这里，ng为慢光波导的群折射率(群速度的下降率)。

将c设为真空中的光速、ω设为光的角频率时，ng通常可以由下述式求得，但就慢光波导而言，ng为几十以上的大数值。

ng＝c·dβ/dω＝(λ²/2π)·dβ/dλ

另一方面，就与结合后转换的传播常数βN相关的出射部的折射率nN而言，可以视为nN<1、ng>>nN，因而式(3)可以用下述(4)表示。

以下，用符号“＝*”来表示。

式(4)示出了一旦慢光波导导致群折射率ng变大，则出射角度θ的波长灵敏度以与群折射率ng近乎呈比例的方式增高，出射角度θ相对于波长λ的微小变化而急剧变化的情形。

[与折射率n对应的出射角度θ的灵敏度]

与折射率n对应的出射角度θ的灵敏度用下述式(5)表示。

式(5)示出了慢光波导导致群折射率ng变大后，出射角度θ的波长灵敏度以与群折射率ng近乎呈比例的方式增高，出射角度θ相对于折射率n的微小变化急剧变化的情形。

因此，基于波长λ及折射率n的微小变化，可以使出射角度θ急剧变化。

控制出射角度的构成

图3、图4是用于说明控制本发明的光偏转器出射角度的构成的图。

图3(a)为控制光偏转器的出射角度的构成例的示意图。图3(a)中，光偏转器1在具备两个周期结构的光波导部2及出射部3以外，还具备控制射入到光波导部2的入射光的波长λ的波长控制部4、控制光波导部2和/或出射部3的折射率n的折射率控制部5、控制波长控制部4及折射率控制部5的出射角度控制部6。

出射角度控制部6控制波长控制部4和折射率控制部5中任意一个控制部、或两个控制部，通过控制波长和/或折射率来控制出射角度。

图3(b)是用于说明控制光偏转器的出射角度的光波导部和出射部的构成例的示意图。此外，这里示出了第一折射率介质为高折射率介质、第二折射率介质为低折射率介质的例子。

图3(b)中，光波导部2通过由上下包层构成的高折射率介质21、和周期性地设置在包层内的低折射率介质22构成慢光波导。光波导部2具备控制折射率介质的折射率的折射率变更部23。

出射部3由高折射率介质31、和周期性地设置在高折射率介质31内的低折射率介质32构成。出射部3具备控制折射率介质的折射率的折射率变更部33。

例如可以用加热器或P-N结来构成折射率变更部23及折射率变更部33，通过加热器的温度控制或P-N结的电压施加来改变载体密度，进而改变光波导部的折射率n。此外，这里提到的折射率n为用高折射率介质的折射率和低折射率介质的折射率来确定的光波导部的折射率。

图4中，图4(a)示意性地示出了基于波长λ及折射率n的出射角度θ的变化，图4(b)、4(c)、4(d)示出了出射角度θ、波长λ、折射率n的变化例。

就图4的例子而言，示出了时序性、阶段性地改变波长λ或折射率n的例子。基于该变化，出射角度θ时序性、阶段性地发生变化，出射光束被发射到离散性的照射点。除了调整光泄露的长度以外，通过调整波长λ或折射率n的变化量可以调整出射光束的分辨率点数。此外，这里的出射光束的分辨率点数为照射到指定间隔内的点数，相当于离散性的照射点的照射密度。

除了波长λ或折射率n以外，利用在光波导部中传播的光的传播常数β的朝向也可以改变出射角度θ，通过用光路切换开关改变射入到光波导部的光的朝向，也可以改变出射角度θ，可以扩大出射角度θ的角度变更范围。

(由光子晶体形成的慢光结构)

其次，对于由光子晶体形成的慢光结构，用图5～7说明慢光波导及衍射光栅的构成例。此外，这里示出了第一折射率介质为高折射率介质、第二折射率介质为低折射率介质的例子。

第一周期结构及慢光波导

作为生成慢光的第一周期结构的例子，可以考虑是光子晶体波导。图5(a)～图5(c)示出了基于光子晶体波导的第一周期结构例，图5(a)、5(b)示出了一维的光子晶体波导，图5(c)示出了二维的光子晶体波导。

图5(a)的一维光子晶体波导2A为在由半导体等高折射率介质形成的矩形通道波导(Si细丝等)中周期性地排列圆孔的构成例，图5(b)的一维光子晶体波导2B为周期性地分离高折射率介质的矩形通道波导的构成例。

就该构成而言，在满足a＝λ/2n的布拉格波长附近生成光子带隙(带阻)，在其附近的标准化频率a/λ处，dβ/dλ∝ng缓缓变大，生成慢光。

就圆孔序列型的情形而言，例如，相对于λ＝*1550nm可以使Si的厚度为200nm左右、宽度为400nm左右、圆孔直径为200nm左右、周期a＝400nm左右。

图5(c)的二维光子晶体波导2C是这样的构成，即在相同厚度的半导体(Si等)平板中，将相同圆孔以二维周期性、例如以三角栅格序列排列后，去除序列中的一列圆孔。该二维光子晶体波导2C的结构中，在布拉格波长附近也会生成光子带隙，进而群折射率ng变大而生成慢光。

在一维光子晶体波导及二维光子晶体波导的任意一个结构中，在布拉格波长处也会生成ng>100的大的慢光效果，但随着远离布拉格波长，ng会缓缓变小。此外，与一维光子晶体波导相比，二维光子晶体波导能在更大的波长范围维持大的ng。

图5(d)为表示被二氧化硅包层夹持的二维光子晶体波导的立体图。就该构成例而言，在形成二氧化硅包层的二维的光子晶体波导的表面，形成有构成第二周期结构的表面衍射光栅。通过调整二维光子晶体波导与表面衍射光栅之间的包层的厚度，可以改变两者的结合程度，可以得到速度适宜的光发射。

慢光的发射条件

以下，说明基于周期结构的慢光的发射条件。图6(a)为用于说明基于第一周期结构的发射条件的图，示出了第一周期结构单独的光子能带。

图6(a)中，深色区域部分表示向空气中的发射条件，浅色区域部分表示向包层中的发射条件。另外，粗实线表示与第一周期结构结合后以非发射的方式向正方向传播的慢光的光子能带，形成波导模式。另一方面，细实线表示由于第一周期结构单独与空气或包层结合，从而其发射导致原本就无法传播慢光的光子能带。此外，虚线表示向反方向传播的光。

就图6(a)所示的只具备第一周期结构的构成而言，在图6(a)中用粗实线表示的传播常数的范围内，光在不被发射的情况下进行传播，在深色区域表示的传播常数的范围内，被发射到空气中，在浅色区域表示的传播常数的范围内，被发射到包层中。

第二周期结构及发射模式

第二周期结构的周期Λ可以取多种值，典型例子为Λ＝2a。图6(b)示出了第二周期结构的周期Λ为2a时的光子能带。该周期结构中，由于第二周期结构持有的波数矢量2π/Λ生成的能带迁移，波导模式的波数转换为向空气的发射模式区域的发射条件后，转换为向与行进方向相同方向的斜上方发射的光。

因此，就第二周期结构的周期Λ为2a的构成而言，在第一周期结构中传播的慢光按照在第二周期结构的发射条件被发射到空气中。

在偏离第二周期结构的周期Λ为Λ＝2a条件的情形下，不发生发射、或向多个方向发射。以下，说明与周期Λ和周期a的关系相关的发射。

(a)Λ<a时

不满足发射条件，因而光不能发射。

(b)a<Λ<2a的范围

向斜向发射。

(b1)Λ<4a/3时

图7(a)示出了Λ<4a/3的情形。该周期Λ中，一部分波长将无法满足向空气中的发射条件。

(b2)Λ＝*4a/3时

图7(b)示出了Λ＝*4a/3的情形。该周期Λ中，全部的慢光模式都满足向空气中的发射条件，不会发生多个发射。慢光模式处于负方向的发射条件的边缘，因而发射以与行进方向相反方向的接近水平的角度产生偏转。

(b3)4a/3<Λ<2a时

图7(c)示出了4a/3<Λ<2a的情形。该周期Λ中，发生多个发射。

(b4)Λ＝2a时

图7(d)示出了Λ＝2a的情形。该周期Λ中，慢光模式再次全部变为发射条件，且不会发生多个发射。

(b5)Λ>2a时

图7(e)示出了Λ>2a的情形。该周期Λ中，光子能带的折返次数增多，出现多个发射条件。

因此，当形成单一出射光束并偏转时，第二周期结构的周期Λ优选在a<Λ<2a的范围并满足Λ＝*4a/3、或Λ＝2a的条件。

(出射光束的偏转角)

其次，说明在波长λ或折射率n可充分改变的情形下得到的最大偏转角。

根据图6、图7的光子能带特性，在由Si平板构成的二维光子晶体波导的情形下，慢光模式的光子能带大概出现在a/λ＝*0.25处。此时，如果将Si的上下包层的折射率设为nc，则慢光的β可以取以下的值。

β＝(2π/a)N-0.25nc(2π/a)～(2π/a)N-0.50(2π/a)＝*(4N-nc)k0～(4N-2)k0

…(6)

这里，nc为确定发射条件的上下包层的折射率。

Λ＝2a时

在Λ＝2a的情形下，慢光的β被按照2π/Λ＝2π/2a＝*2k0进行波数转换，因而用下述(7)表示。

βN＝*(4N-nc)k0～(4N-4)k0…(7)

这里，在慢光中通常采用的N＝1的情形下，用下述式(8)、式(9)表示β及n，用下述式(10)表示出射角度θ。

β1＝*(2-Nc)k0～0…(8)

nN＝n1＝β1/k0＝*(2-nc)～0…(9)

θ＝sin^-1n1＝sin^-1(2-nc)～0…(10)

在采用具有空气包层(nc＝1)的空气桥结构的情形下，θ＝90°～0°成为能以理想状态偏转的范围。另外，在采用二氧化硅包层(nc＝1.45)的情形下，则变为θ＝33°～0°。

Λ＝4a/3时

在Λ＝4a/3的情形下，慢光的β被按照2π/Λ＝3π/2a＝*3k0进行波数转换，因而用下述(11)表示。

βN＝*(4N-3-nc)k0～(4N-5)k0…(11)

这里，在慢光中通常采用的N＝1的情形下，用下述式(12)、式(13)表示β及n，用下述式(14)表示出射角度θ。

β1＝*-(nc-1)k0～-k0…(12)

nN＝n1＝β1/k0＝*-(nc-1)～-1…(13)

θ＝sin^-1n1＝sin^-1[-(nc-1)]～-1…(14)

在空气包层中变为θ＝0°～-90°，在二氧化硅包层中变为θ＝-27°～-90°。

[偏转所需的波长或折射率的变化]

就满足慢光的传播条件的波长范围而言，在光子晶体波导为空气桥结构的情形下，在λ＝*1550nm附近为35nm左右的范围，在二氧化硅包层的情形下为15nm左右。在这些范围中，可以得到如上所述的最大的光束偏转。

这些可变波长已经用桌面型的可变波长激光装置、或可变波长激光小型模块得以实现。

另一方面，当通过将波长λ进行固定并改变折射率n来改变偏转的角度范围时，基于能带向频率方向(可以称之为波长方向)迁移时的传播常数β的变化来生成偏转的角度范围。就与波长的变化幅度35nm相当的折射率n的变化而言，例如，在采用Si作为材料时为0.085。该折射率的变化可以通过约470℃的加热来实现。另外，与波长的变化幅度15nm相当的折射率n的变化为0.036，该折射率的变化可以通过约200℃的加热来实现。该加热范围是可通过采用硅光子技术而实施的范围。

但在改变波长λ的情形下，群折射率ng在短波长侧小，因而出射角度θ的变化小。另一方面，群折射率ng在长波长侧大，因而出射角度θ也急剧变化。在改变折射率n的情形下，也显示出与波长λ的情形类似的特性。例如，如果将波长λ固定在慢光的传播带宽的短波长侧，增大折射率n，则虽然最初群折射率ng小且出射角度θ的变化小，但随后群折射率ng缓缓变大，出射角度θ的变化也随之加大。

如上所述，相对于波长λ或折射率n的出射角度θ的变化呈非线性，但如果群折射率ng相对于波长λ或折射率n为一定，则出射角度θ会呈现近乎线性的变化。在二维光子晶体波导的情形下，在特定的波长范围可以使群折射率ng以大的数值维持为一定值。

图8示出了可以使群折射率ng维持为一定值的构成例。二维光子晶体波导2D表示过度加大圆孔的构成例，二维光子晶体波导2E表示将光波导部核心部的宽度变窄的构成例，二维光子晶体波导2F表示改变特定圆孔列的圆孔大小的构成例，二维光子晶体波导2G表示只加大核心部的折射率的构成例，二维光子晶体波导2H表示使特定圆孔列(栅格)的位置迁移的构成例。

图9(a)表示使二氧化硅包层光子晶体波导的圆孔列沿着波导迁移的构成，是使第二列的栅格迁移的构成。图9(b)示出了实验测定的群折射率谱，在波长1550nm附近约10nm的范围，可以得到群折射率ng以ng＝50维持大致一定的波长范围。

该群折射率ng为Si细丝波导的群折射率ng的12倍。在采用这种一定的群折射率ng的区间中，出射角度θ相对于波长λ或折射率n呈线性变化，因而易于进行出射角度θ的控制。

此时，分别用下述式求得a/λ及β。

a/λ＝*0.258

β＝0.55(2π/a)～0.63(2π/a)＝*2.13k0～2.44k0

如果将第二周期结构的周期Λ设为Λ＝4a/3＝*0.344λ＝533nm(λ＝1550nm)，则折射率n1及出射角度θ变为以下的值。

n1＝-0.87～-0.56

θ＝-60°～-34°

此时，通过将周期Λ改为略小于4a/3，可以得到大的偏转角。如果Λ＝1.24a，则慢光的传播常数β被按照下式

π/Λ＝(2π/λ)(λ/a)(a/Λ)＝2.13+1

进行波数转换，折射率n1及出射角度θ变为以下的值。

n1＝-1～-0.69

θ＝-90°～-44°

此时，在波长1550nm附近，只需以10nm范围进行波长变化即可以实现偏转角90-44＝46°的范围。

除了光子晶体波导以外，慢光波导也可以是并列多个光子晶体谐振器或环形谐振器并使之相互结合的结合式谐振器波导。另外，也可以采用融合了积层式波导和光子晶体波导而得的构成，所述积层式波导是在层厚方向形成多层膜后加大一个层的厚度来作为波导的积层式波导。

(衍射光栅)

其次，用图10说明衍射光栅的构成例。

除了表面衍射光栅以外，构成基于第二周期结构的出射部3的衍射光栅可以是其他的结构。

图10中，空气桥型衍射光栅3B为在空气桥型慢光波导上经由空气层配置衍射光栅的构成例，空气桥型衍射光栅3C为在包层包埋型慢光波导上经由空气层配置衍射光栅的构成例，衍射光栅3D为在慢光波导的上部包层上通过在折射率不同的层(SiN等)处设置凹凸形状来形成衍射光栅的构成例，衍射光栅3E为在上部包层内通过在折射率不同的层(SiN等)处设置凹凸形状来包埋衍射光栅的构成例，衍射光栅3F为在下部包层内通过在折射率不同的层(SiN等)处设置凹凸形状来包埋衍射光栅的构成例，衍射光栅3G为在下部包层之下的层(Si基板等)直接刻制了凹凸形状的构成例。

并且，衍射光栅3H为在光子晶体波导的两侧形成凹凸形状的构成例。就光子晶体波导而言，在波导核的两翼配置有有限数量的圆孔序列。该构成例中，适度减少圆孔序列的列数将导致光渗出到外侧，因而通过在光渗出的位点形成衍射光栅即可以使光发射。

衍射光栅3I为在光子晶体波导的表面形成浅的凹凸形状的构成例。这里，衍射光栅除了可以是通常的一维周期结构以外，还可以配置圆孔序列周期不同的光子晶体，进而，还可以是在光子晶体波导上直接形成不同周期的浅凹凸的构成。

衍射光栅3J为在光子晶体的周期自身上重叠别的周期，使光子晶体自身为多重周期结构的构成例。

在光子晶体自身为多重周期结构的构成例中，用光子晶体波导作为慢光波导，波导和光发射机构由一个机构构成。光子晶体波导是用圆孔排列的光子晶体夹持波导的左右来使光反射并传播，从而构成波导。

基于多重周期结构的光偏转器具备在光子晶体的面内沿着形成波导的波导反复配置两种不同直径的圆孔的双重周期结构。

此外，在图10所示的衍射光栅的例子中，凹凸形状为山峦形状，但不局限于该山峦形状，也可以是任意的形状。

图11是用于说明基于图10中3J的多重周期结构的光偏转器构成的图。

光偏转器1的构成是在由Si等半导体等的高折射率介质所形成的平板上二维周期性地(例如以三角栅格排列的形式)排列SiO2等低折射率介质的圆孔3b、3c后，去除一部分排列的圆孔的构成，去除了圆孔的部分在构成由二维光子晶体形成的波导部的同时，构成发射发射光束的出射部。

光偏转器1具备相对于光传播方向反复设置两种不同直径2r1和2r2的圆孔3b、3c的双重周期结构4。借助该双重周期结构4，从而在由相同直径的圆孔排列而成的周期结构中，非发射的慢光传播光被转换为发射状态而发射到空间中。

光偏转器具备的双重周期结构具备反复设置大直径圆孔的周期结构、和反复设置小直径圆孔的周期结构。将标准的圆孔直径设为2r、直径的相差幅度设为2Δr时，大直径圆孔的直径2r1为2(r+Δr)，小直径圆孔的直径2r2为2(r-Δr)。并且，将相邻的大直径圆孔3b与小直径圆孔3c的中心间间隔设为a时，各周期结构的圆孔的间隔Λ为2a。

光偏转器1的尺寸例子，例如，a＝400nm、2r＝210nm，且相邻的圆孔3b与圆孔3c的间隔s3为84nm。此外，该尺寸只为一个例子，并不局限于该数值。

并且，图11所示的光偏转器的构成例中，可以是采用第三列迁移型二氧化硅包层SiLSPCW的器件的构成，或可以是采用第二列迁移型LSPCW的器件的构成。根据ng大的第二列迁移型LSPCW，可以预期实现光偏转角Δθ的增大。

图12(a)～(d)示出了基于本发明的多重周期结构的光偏转器中的光子能带、群折射率ng谱、与波长λ对应的发射角θ、及与波长λ对应的发射损耗α。此外，图12(c)的发射角θ是将面垂直方向(图11z方向)设为了θ＝0°。

如图12(a)所示，具备双重周期结构的本发明的光偏转器中，表示在圆孔的直径r只变化2Δr时，光传播特性的光子能带也与圆孔的直径为2r的情形同样不发生变化。并且，如图12(b)所示，群折射率ng相对于直径变化Δr也不发生变化，以ng约为20的大的带宽生成低分散的慢光。就光传播特性而言，传播常数β相对于光的传播方向不发生变化，如图12(c)所示，发射的光的角度θ不产生变化。

另一方面，图12(b)中，通过使圆孔的直径2r改变Δr，可以改变光的发射损耗α。图12(b)示出了Δr为5nm、10nm、15nm、20nm的例子，示出了Δr増大时，发射损耗α随之增大的情形。发射损耗α表示传播光自光传播通路向面外泄露的比率，Δr越大，则向面外发射的发射光束的强度越大。

图12(c)所示的与波长λ对应的发射角θ中，由于发射角θ反映光子能带，因而Δr的决定性小。图12(c)中虽未示出，基于慢光效果和二氧化硅包层/空气交界面的折射，相对于波长变化Δr＝26nm，可以得到接近于30°的光偏转角Δθ。

图12(d)所示的与波长λ对应的发射损耗α中，如果采用ng大的第二列迁移型LSPCW，则可以进一步加大发射损耗α。另一方面，发射损耗α随着Δr增大而增大。因此，通过Δr的控制，可以实现出射角度或传播方向上的传播常数等其他性质没有太多变化的光发射量的控制。

(调整偏转角的构成)

以下，用图13、图14对调整出射光束的偏转角的构成进行说明。

扩大偏转角范围的构成

图13示出了通过切换入射光对光偏转器的入射方向来扩大偏转角范围的构成例。

第一周期结构的周期a与第二周期结构的周期Λ之间存在Λ＝2a的关系时，出射光束的偏转角(出射角度)θ为0°以上。如果以反方向导入入射光对光偏转器的入射方向，则出射光束的发射方向呈左右对称。由此，通过用光路切换开关7切换入射光的入射方向，能够以0°为中心在±90°、或±33°的范围进行扩大。

图13(a)中，光偏转器1在两端的输入端连接有光路8a、8b。光路切换开关7将入射光切换到光路8a或光路8b。光偏转器1中，来自光路8a或光路8b的、切换了入射方向的光彼此以反方向射入到光偏转器。

图13(b)所示的构成例表示与图13(a)相同的构成中Λ＝4a/3的情形。该情形中，出射光束的偏转角(出射角度)θ呈现接近-90°的偏转。相对于反方向的入射，则接近90°。因此，相对于0°，出射光束在正方向和负方向这2个方向上具备偏转角范围。

图13(c)所示的构成例为利用光路切换开关7、7a、7b对两个光偏转器1a、1b，切换并射入入射光的构成。

针对光偏转器1a，经由光路切换开关7、7a而在一侧的入射端连接光路8c，经由光路切换开关7、7b而在另一侧的入射端连接光路8e。另外，针对光偏转器1b，经由光路切换开关7、7a而在一侧的入射端连接光路8d，经由光路切换开关7、7b而在另一侧的入射端连接光路8f。此外，光路切换开关7和光路切换开关7a之间用光路8a连接，光路切换开关7和光路切换开关7b之间用光路8b连接。

根据该构成，通过用光路切换开关7、7a、7b分别切换向光偏转器1a、1b的入射光，可以实现全方位的偏转。

抑制光的扩散的构成

图14示出了用光学系统透镜抑制光偏转器发射的光的扩散的构成。

就光偏转器1的出射部3发射的光束而言，在沿着光传播方向的侧面观察波导时为锐利光束，在与光传播方向垂直的波导截面观察时则向左右急剧扩散。如图14(a)所示，在出射部3的发射侧以适宜的距离配置柱面透镜9a来抑制光的扩散。柱面透镜9a在沿着波导的方向上具备相同的厚度，在与波导垂直的方向上呈厚度变化的弯曲形状。基于该形状，出射部3发射的光向左右的扩散被抑制，从而得到单一峰的光束。图14(b)所示的构成是将慢光波导包埋在塑料模9b等光学部件中，进而在光学部件的表面实施柱面透镜加工的构成，可以得到与图14(a)的柱面透镜相同的效果。

就柱面透镜而言，除了在光偏转器的上部配置安装的形式以外，也可以是在光偏转器的上部形成厚的SiO2包层或聚合物包层，将该包层的表面加工成透镜形状的形式。

(二维扫描的构成)

以下，用图15、图16说明二维扫描出射光束的构成。

阵列构成与柱面透镜的组合

图15示出了利用慢光波导的阵列构成和柱面透镜的组合进行二维光束扫描的构成例。

图15(a)中，平行配置多个慢光波导和衍射光栅来构成阵列集成13，在阵列集成13的发射侧的发射方向配置有柱面透镜9。各慢光波导连接有光放大器或相位调制器12。该相位调制器12连接有切换部11，用切换部11切换来自入射波导10的入射光，并选定将光加以射入的慢光波导，用相位调制器12进行相位调制后，射入到选定的慢光波导。切换部11可以采用光路切换光开关或波长分光器。

通过用切换部11在慢光波导中选定一个，入射波导10射入的入射光被从任意一个慢光波导发射。此时，如图15(b)所示，出射光束相对于柱面透镜9a的相对位置发生变化，因而柱面透镜9a射出的出射光束的截面内的角度发生变化。

当波导细时，发射的光的扩散变得特别大。此时，如图15(c)所示，首先在各衍射光栅上配置小的柱面透镜阵列9c来抑制发射的光的扩散，随后，利用使光射入到大的柱面透镜9a的构成可以实现与图15(b)相同的功能。

该构成中以如下方式设计，即在大的范围连续扫描入射光的波长的同时，通过用波长分光器依次切换波导，或通过用光路切换开关对波长以时序变化的光依次切换波导，从而在各慢光波导中，出射光束的出射角度θ可根据波长而变化。利用该构成，可以实现二维的光束角度的扫描。

即使替代入射光的波长扫描，而在用加热器或基于P-N结的光开关来切换波导的同时，利用加热器或P-N结改变慢光波导发出的出射光束的出射角度θ，也可以得到相同的效果。

除了用波长分光器进行慢光波导的切换、用加热器或P-N结进行出射光束的偏转的构成以外，也可以是用加热器或P-N结进行慢光波导的切换、用波长分光器进行出射光束的偏转的构成。

图15(a)示出了选定波导阵列中一个波导的构成。相对于此，就图16所示的构成例而言，在阵列状配置的慢光波导设置长度不同的加热器或P-N结而成的阵列集成15上连接相位调制器12，将入射波导10发出的入射光经由功率分配器14分配至各波导，进而对各分配光分别进行相位调制后，射入到慢光波导。

阵列集成15构成了使光射入到全部慢光波导，并缓缓产生不同的相位变化的相控阵。利用该构成，可以实现锐利光束发射和基于相位变化的偏转角的变化。该相控阵构成中，通过同时发射相位不同的多个光来形成出射光束，因而无需设置柱面透镜。

就图16(a)中的入射光的功率分配而言，中央的波导强、周围的波导依次逐渐变弱，其功率分布的包络线呈高斯分布时，可以极大地提高发射后形成的出射光束的品质。作为这种分配的构成例，例如，也可以是用于阵列波导衍射光栅的构成，即，也可以是将射入波导的光先导入到宽度大的平板波导，在其内部使光自由传播并使之呈高斯分布，在平板波导的末端连接要求数量的阵列波导的构成。

(利用反射光的装置构成)

发射上述光束的光偏转器可以应用在利用反射光的装置中。图17为用于说明将光偏转器应用在利用反射光的装置的图。

当在光偏转器1中导入短的光脉冲，用衍射光栅发射光束(图17(a))，发射的光束在远处被反射并返回到同一衍射光栅时(图17(b))，能够沿着与发射时相反的路径返回到原来的波导中。在返回的波导的前端配置由Si、Ge或混合集成的III-V族半导体形成的光电二极管的光检测部60时，可以检测该光。如同LIDAR(激光雷达装置)的情形，接收该反射光的构成可以有效地应用在使短脉冲的光束偏转后照射到远处的物体，通过检测其反射光来测定至物体为止的距离的情形中。

利用反射光的激光雷达装置的构成可以是多个形式。图18是用于说明激光雷达装置的实施方式的图。

图18(a)示出了第一实施方式。第一实施方式的激光雷达装置100A是将入射波导80进行分流，在分流通路的一端配置光检测部60(光电二极管)的构成。使反射返回到光偏转器1的光脉冲通过滤光器70后，经由分流通路导入光检测部60中进行检测。

图18(b)示出了第二实施方式。第二实施方式的激光雷达装置100B在入射波导80中插入光开关90，在脉冲光源50的光脉冲通过后切换到光检测部60(光电二极管)侧，将反射返回的光脉冲高效地导入到光检测部60(光电二极管)。

图18(c)示出了第三实施方式。如果在Si波导中形成了P-N结的光电二极管被施加强的反向偏压施加，则产生通过晶体缺陷的亚带隙吸收，可以检测到原本无法检测到的长波段的光。就第三实施方式的激光雷达装置100C而言，在入射波导80的中部插入上述形成了P-N结的光电二极管来作为光检测部60，在脉冲光源50的光脉冲通过后改为反向偏压，从而检测被反射的光脉冲。

图18(d)示出了第四实施方式。第四实施方式的激光雷达装置100D具备兼具脉冲光源和光检测部的脉冲光源和光检测部51。脉冲光源和光检测部51也可以作为光电二极管运转，并将反向偏压施加到成为脉冲光源的半导体激光器中。根据该构成，脉冲光源和光检测部51在发出光脉冲后，施加反向偏压来作为光电二极管运转，从而检测反射返回的光脉冲。

根据上述各实施方式的激光雷达装置的装置构成，假设有从其他方向来的与脉冲光源相同波长的光并射入到衍射光栅，光也不会逆向结合到原来的波导，不会射入到光检测部(光电二极管)。因此，在上述的激光雷达装置(LIDAR)的功能中，光偏转器对于去除多余的噪音成分是有效的。

就图18所示的各实施方式而言，在入射波导80中插入有波长过滤作用的滤光器70。在激光雷达装置(LIDAR)的功能中，滤光器70非必须构成，省却滤光器70的构成也可以实现相同的功能。

以下，说明插入滤光器70后带来有益效果的情形。滤光器70是可以使脉冲光源的光脉冲的波长通过的滤光器。当改变脉冲光源的波长时，更优选为可以与波长变更同步地改变通过波长的可变波长滤波器。此时，反射返回的光通过该滤光器70后到达光检测部(光电二极管)。

另一方面，环境中存在多种波长的光，波长不同于脉冲光源的波长的光作为噪音成分会射入到光偏转器1的衍射光栅。不同波长的光的入射方向与原有光束相同时，不同波长的噪音成分将无法结合到光波导。另一方面，在从其他方向射入到衍射光栅的噪音成分中存在着与光波导结合并能够返回的成分。滤光器可以去除与光波导结合的噪音成分。该噪音成分的去除可以有效提高LIDAR检测反射信号时的SN比。

根据本发明的光偏转器，无需采用机械器件即可以使指向性高的光束偏转。因此，可以将以往的cm级的、大型的偏转器小型化为mm级。并且，可以提高可靠性、减少消耗电力、提高运转速度，用微小的波长变化或者折射率变化即可以得到大的光束角度变化和大的分辨率点数。

并且，本发明的光偏转器可以用硅光子CMOS互换加工工艺来制作。通过采用硅光子CMOS互换加工工艺，可以形成光子晶体慢光波导。根据该慢光波导，基于波长的变化或外部控制引起的折射率变化，在一定波长范围内可以使传播常数β产生大的变化。

利用在覆盖该慢光波导周围的SiO2包层的上部表面形成衍射光栅的构成、在包层中设置的SiN中间层形成衍射光栅的构成、以不遮蔽慢光波导的上部的形式沿着慢光波导在包层的上或内部形成加热器的构成、或在Si片中形成P-N结的构成等各种构成，可以提供折射率变化。该折射率变化结构在光子晶体调制器中已经得到了验证。

慢光波导能够以1dB以下的低损耗连接在Si细丝波导上，Si细丝波导能够经由光斑尺寸转换器以1.5dB左右的损耗光学连接在外部光纤上。

在外部准备光纤输出的激光光源。作为激光光源，可以利用桌面型的可变波长光源、C能带(λ＝1.53～1.565μm)可变波长激光二极管模块。

对于出射光束要求大的输出时，可以预先用半导体光放大器、掺铒光纤放大器来提高光输出。通常，光斑尺寸转换器的耐输入连续功率为200mW左右，若想输入比这更高的功率时则采用光脉冲。只要是足够狭窄的脉冲，输出50W以上的峰值功率也不成问题，在需要更高功率时，可以采用这样的构成，即在Si细丝波导的中部粘贴GaInAsP半导体并使传播光与之结合后作为半导体光放大器运转，从而在内部提高光功率。

作为切换多个波导的机构，可以采用多级从属连接了马赫曾德尔型光开关的1×N切换开关、结合式微环谐振器型波长分光器、阵列波导衍射光栅、光栅波长分光器等。

采用CMOS互换工艺的Si光子晶体慢光波导、基于加热器或P-N结的折射率变化、基于在Si上直接形成的衍射光栅的光束形成、以及相对于波长的光束角度的变化已经得到了验证。

并且，所使用的光不局限于近红外光，通过用相对于SiN等可视光为透明的Si相关材料来制作器件，可以应用在投影仪、激光显示器、视网膜显示器、2D/3D打印机、POS或读卡装置等。

此外，本发明不局限于上述各实施方式。在基于本发明的宗旨的前提下可以实施各种改良，这些改良均在本发明的范围内。

工业实用性

本发明的光偏转器可以应用在搭载在汽车、无人机、机器人等中的激光雷达(LIDAR)，在个人电脑或智能手机中搭载后轻松读取周围环境的3D扫描仪，监控系统，光交换或数据中心用的空间矩阵光开关等。