JP2021113939A - 少制御部光偏向器 - Google Patents

Abstract

【課題】光偏向の性能を向上させながら光の位相制御の煩雑さや消費電力の増大を抑制する。【解決手段】少制御部光偏向器１は、入射側のコアＰＳ１〜ＰＳ４が第１ピッチで並設された位相制御部１０と、出射側のコアＣ１１〜Ｃ４２の放射端Ｏ１１〜Ｏ４２が第２ピッチで並設された光出射部３０と、第２ピッチが第１ピッチよりも小さくなるように出射側の光導波路が形成されたピッチ変換部５０と、入射側のコアと出射側のコアとの間で光モード結合できるように、全ての入射側のコアのそれぞれの光出射側の一部分と全ての出射側のコアのそれぞれの光入射側の一部分とが配設された光結合部７０と、を備え、光結合部では、２本の出射側のコアの間に１本の入射側のコアが配置され、光結合部において隣り合う２本の入射側のコアの間に配置された２本の出射側のコアによって、ピッチ変換部において交差する交差光導波路が形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の放射光を合成した光ビームの方向を制御する光偏向器に係り、特に、少制御部光偏向器に関する。

近年、空間光通信や距離センサ、レーダ、３Ｄディスプレイなどへの応用を目的に、光ビームの方向を制御する素子（光偏向素子）の研究開発が進められている。このうち、光の位相制御と多光束干渉を基本原理とする光フェーズドアレイ（ＯＰＡ：Optical Phased Array）は、機械的な走査なしに光ビーム偏向が可能であり、小型・軽量なデバイスに応用できるものと期待されている（例えば特許文献１参照）。

例えば導波路型光フェーズドアレイでは、各導波路（以下、チャネルともいう）の放射端が水平方向に配列されていれば、放射端の正面から水平方向に光ビームを偏向する。この導波路型光フェーズドアレイは、その位相制御部で各導波路の位相を制御することによって正面の中央に強い光強度を有する光ビームを形成する。

以下では、導波路の放射端の正面の方向を0°とする出射角度θを導入し、出射角度θの２倍の値を光ビームの偏向角度と称する。ここで、出力光ビームが出射角度θの方向に形成される条件を説明する。この条件は、各導波路の放射端から放射された光の強度が均一であると仮定した場合、隣接チャネル間の位相差Δφが等しく、以下の式（１）を満たすこととして与えられる。式（１）において、λは入力光の波長を表し、ｐｒは光導波路の放射端のピッチを表す。

式（１）を満たす出射角度θの値が最大値となる角度を最大出射角度θ_maxと称する。この最大出射角度θ_maxは、式（１）におけるΔφ／２πの値が１／２のとき、すなわち、Δφ＝πのときの出射角度θであり、以下の式（２）として与えられる。

また、放射される光ビームの幅に対応する光ビーム広がり角度Φは、近似的に以下の式（３）で与えられる。式（３）において、Ｎは導波路の放射端の数を表す。

特許６５１３８８５号公報

光偏向器において重要な性能指数に光線数（以下、ＮＬと表記する）がある。この光線数ＮＬは、異なる方向に出射された弁別可能な光ビームの最大本数を表し、光フェーズドアレイ素子の解像度限界ともなる。そのため、光偏向デバイスの性能向上のためには、光線数ＮＬの増加が不可欠である。光線数ＮＬは、以下の式（４）で示すことができる。式（４）において、θ_maxは最大出射角度を示し、Φは光ビーム広がり角度を示す。式（４）の右辺の分子である最大出射角度θ_maxの２倍の値のことを以下では光ビームの最大偏向角度と称する。

前記した式（３）によれば、導波路の放射端の数Ｎを大きくすると、光ビーム広がり角度Φは小さくなることが分かる。つまり、出力される光ビームの幅は、チャネル数を増加するほど細くすることが可能である。また、前記した各式の関係から以下のことが導かれる。例えば式（４）によれば、光ビームの最大偏向角度が一定のときに光ビーム広がり角度Φを小さくすれば光線数ＮＬは大きくなることが分かる。したがって、光線数ＮＬを増加させるためには、光ビーム広がり角度Φを小さくすること、言い換えると、導波路の放射端の数Ｎを増加させなければならない。また、前記した式（２）および式（４）によれば、ピッチｐｒを狭めることで、光ビームの最大偏向角度を大きくすることも可能である。光ビームの最大偏向角度が大きくなれば、光線数ＮＬも大きくなる。

上述のように、前記した式（３）によれば、理論的には、光偏向器において、光導波路チャネルの本数を増加することで光ビームの広がりを抑制して細くすることが可能である。一方で、光導波路チャネルの本数を増加することは、位相制御を行うべき光導波路の本数を増加することになる。すなわち、位相制御を行う操作の回数が増加し位相制御が複雑になる、という問題があった。また、位相制御を行うべき光導波路の本数が増加すると、電気的制御に要する消費電力も増加する、という問題もあった。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、光偏向の性能を向上させながら光の位相制御の煩雑さや消費電力の増大を抑制する少制御部光偏向器を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る少制御部光偏向器は、入射側の光導波路を形成する複数本の入射側のコアが第１ピッチで並設された位相制御部と、出射側の光導波路を形成する複数本の出射側のコアの放射端が第２ピッチで並設された光出射部と、前記第２ピッチが前記第１ピッチよりも小さくなるように前記出射側の光導波路が形成されたピッチ変換部と、前記入射側のコアと前記出射側のコアとの間で光モード結合できるように、全ての前記入射側のコアのそれぞれの光出射側の一部分と全ての前記出射側のコアのそれぞれの光入射側の一部分とが配設された光結合部と、を備え、前記光結合部では、２本の前記出射側のコアの間に１本の前記入射側のコアが配置され、前記光結合部において隣り合う２本の前記入射側のコアの間に配置された２本の前記出射側のコアによって、前記ピッチ変換部において交差する交差光導波路が形成されている、こととした。

本発明は、以下に示す優れた効果を奏するものである。
少制御部光偏向器によれば、光導波路の放射端の数を増加させて光偏向の性能を向上させながら、光導波路の放射端の数を増加させることによる光の位相制御の煩雑さや消費電力の増大を抑制することができる。

本発明の実施形態に係る少制御部光偏向器を模式的に示す構成図である。 図１のＧ−Ｇ線断面矢視図である。 図１の少制御部光偏向器の部分的な構成図である。 図３においてＨで示す領域を拡大して示す模式図である。 図３においてＨで示す領域の他の構成例を示す模式図である。 図３においてＨで示す領域の他の構成例を示す模式図である。 図３のＡ−Ａ線断面におけるコアの配置を示す模式図である。 図３のＢ−Ｂ線断面におけるコアの配置を示す模式図である。 図３のＣ−Ｃ線断面におけるコアの配置を示す模式図である。 図３のＤ−Ｄ線断面におけるコアの配置を示す模式図である。 図３のＥ−Ｅ線断面におけるコアの配置を示す模式図である。 隣接光導波路間の位相差が０の場合の光ビーム遠視野像である。 隣接光導波路間の位相差が０の場合の１次元プロファイルである。 隣接光導波路間の位相差がπの場合の光ビーム遠視野像である。 隣接光導波路間の位相差がπの場合の１次元プロファイルである。 光出射部における光導波路ピッチと最大偏向角度との関係を示すグラフである。 光出射部におけるチャネル数と光ビーム広がり角度との関係を示すグラフである。 図１の少制御部光偏向器を適用した光フェーズドアレイを模式的に示す構成図である。

［少制御部光偏向器の構成］
まず、少制御部光偏向器の構成について図１〜図５を参照して説明する。なお、各図面に示される部材のサイズや位置関係は、説明を明確にするため誇張していることがある。図１および図２に示す少制御部光偏向器１は、複数の放射光を合成した光ビームの方向を制御する光偏向器であって、例えば光スイッチや光フェーズドアレイに適用されるものである。ここでは、図１に示すように、少制御部光偏向器の光ビーム出射方向におけるデバイス中心軸をＺ軸に一致させ、Ｚ軸の正の方向を正面としており、複数の放射光を放射する複数の放射端がＸ軸上に並べられているものとして説明する。

少制御部光偏向器１はアレイ状の複数（ｎ本）の入射側の光導波路と複数（ｎ×２本）の出射側の光導波路とを備えている。以下では、ｎ＝４であるものとして説明する。また、光導波路をチャネルとも呼ぶ。光導波路は、シングルモードで光の伝搬を行うことを前提としており、また、ＴＭ（Transverse Magnetic）モードの偏光を伝搬する。つまり、伝搬する光は、電界の振幅方向が、進行方向に対して垂直方向となる。導波路は、コアとクラッドから形成され、コアはクラッドに比較して屈折率が大きい。

少制御部光偏向器１は、光導波路を形成するコアの周囲にクラッドを備えているが、図１、図３、図４および図５では図示を省略した。図２は、少制御部光偏向器１の光結合部７０を含む断面図であって、所定の基板１１０上に形成されたコアＰＳｎ（ｎ＝１〜４）と、コアＰＳｎ（ｎ＝１〜４）の両側に配置されたコアＣｎ１，Ｃｎ２（ｎ＝１〜４）と、クラッド９０と、を例示した模式図である。

図１に示すように、少制御部光偏向器１は、複数の入射側の光導波路を並べた位相制御部１０と、複数の出射側の光導波路を並べた光出射部３０と、位相制御部１０と光出射部３０との間に設けられたピッチ変換部５０と、位相制御部１０とピッチ変換部５０との間に設けられた光結合部７０と、を備えている。なお、隣接する位相制御部１０と光出射部３０、光出射部３０とピッチ変換部５０、および、ピッチ変換部５０と光結合部７０は、それぞれ互いに同じ光導波路の一部を保有しているため、隣接する各部で共有する光導波路の構成については、重複する説明を省略する。

（位相制御部）
位相制御部１０は、入射側の光導波路を形成する複数本の入射側のコアＰＳｎ（ｎ＝１〜４）が第１ピッチで並設されたものである。以下では、ＰＳｎ（ｎ＝１〜４）を、単にＰＳｎと表記する。位相制御部１０には、入射側のコアＰＳｎが所定の第１ピッチで並設されている。例えばコアＰＳ１とコアＰＳ２とは、図３に示すように、光導波路の幅方向にピッチｐ１で並設されている。位相制御部１０は、光の位相を制御可能なアレイ状の光導波路を有している。位相制御部１０は、図示しない電極線を介して送られる電圧や電流などの外部信号によって光導波路を形成するコアの屈折率を変化させる。

位相制御部１０の光導波路を形成する入射側のコアＰＳ１〜ＰＳ４の材料は、外部信号の印加により屈折率が変化する材料である。例えば印加電圧によって屈折率が変化する液晶材料や電気光学材料、あるいは、印加電流に伴うジュール熱によって屈折率が変化する熱光学材料などが利用できる。本実施形態では、位相制御部１０の光導波路を形成するコアの材料は、例えば電気光学効果を発現する電気光学ポリマー（ＥＯポリマー）であるものとする。クラッドの材料としては、例えばＳｉＯ₂等の酸化物や、ポリマー材料を用いることができる。ポリマー材料には、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）や、ポリイミド系等を用いることができる。ポリイミド系としては、ポリイミドやフッ化ポリイミドを挙げることができる。

（光出射部）
光出射部３０は、出射側の光導波路を形成する複数本の出射側のコアＣｎ１，Ｃｎ２（ｎ＝１〜４）の放射端Ｏｎ１，Ｏｎ２（ｎ＝１〜４）が第２ピッチで並設されたものである。以下、Ｃｎ１，Ｃｎ２（ｎ＝１〜４）を単にＣｎ１，Ｃｎ２と表記し、Ｏｎ１，Ｏｎ２（ｎ＝１〜４）を単にＯｎ１，Ｏｎ２と表記する。光出射部３０はアレイ状の光導波路を有している。図３に示すように、例えば放射端Ｏ１１と放射端Ｏ２１とは、光導波路の幅方向にピッチｐ２で並設されている。また、放射端Ｏ２１と放射端Ｏ１２とはピッチｐ２で並設されており、放射端Ｏ１２と放射端Ｏ２２とはピッチｐ２で並設されている。なお、ピッチｐ２は、前記した式（１）〜式（３）に記載されたピッチｐｒのことである。

光出射部３０は、位相制御部１０を形成する入射側のコアＰＳｎの本数の２倍の数の放射端を有する。出射側のコアＣｎ１，Ｃｎ２の材料は、例えばシリコン（Ｓｉ）や窒化シリコン（ＳｉＮ）等の高い屈折率を有する材料であることが好ましい。このようにすることで、光導波路のコアＣｎ１，Ｃｎ２の屈折率と、クラッドの屈折率との差が大きくなり、光導波路のコアＣｎ１，Ｃｎ２内部への光閉じ込め効果を高めることができる。その結果、放射端Ｏｎ１，Ｏｎ２のピッチを狭めても、隣接する光導波路間において光の浸み出しを抑えクロストークの影響を抑制することができる。

（ピッチ変換部）
ピッチ変換部５０は、第２ピッチ（ピッチｐ２）が第１ピッチ（ピッチｐ１）よりも小さくなるように出射側の光導波路が形成されたものである。ピッチ変換部５０は、複数本の出射側のコアＣｎ１，Ｃｎ２を有している。出射側のコアＣｎ１，Ｃｎ２における放射端Ｏｎ１，Ｏｎ２のピッチｐ２は、入射側のコアＰＳｎのピッチｐ１よりも小さく形成されている。

ピッチ変換部５０において、出射側の光導波路は曲げ光導波路を含んでいる。図３に示すように、例えば出射側のコアＣ１１等は曲げ光導波路である。これによれば、仮に直線状の光導波路によって出射側のコアＣ１１を形成した場合に比べて、所望の第２ピッチ（ｐ２）を設定する際に、出射側のコアＣ１１の長さを短くすることができ、装置を小型化する効果を奏する。

（光結合部）
光結合部７０は、入射側のコアＰＳｎと出射側のコアＣｎ１，Ｃｎ２との間で光モード結合できるように、全ての入射側のコアＰＳｎのそれぞれの光出射側の一部分と全ての出射側のコアＣｎ１，Ｃｎ２のそれぞれの光入射側の一部分とが配設されたものである。
また、光結合部７０では、２本の出射側のコアＣｎ１，Ｃｎ２の間に１本の入射側のコアＰＳｎが配置されている。言い換えると、位相制御部１０の入射側のコアＰＳｎの両隣に、１本ずつ出射側のコアＣｎ１，Ｃｎ２が並列している。例えば入射側のコアＰＳ１の両隣に１本ずつ出射側のコアＣ１１，Ｃ１２が並列している。また、入射側のコアＰＳ２の両隣に１本ずつ出射側のコアＣ２１，Ｃ２２が並列している。

光結合部７０では、図１に示すように、入射側のコアＰＳｎの部分領域と出射側のコアＣｎ１，Ｃｎ２の部分領域とが平行に配置されている。例えば１つの入射側のコアＰＳ１を伝搬する光は、モード結合により、隣接する出射側のコアＣ１１，Ｃ１２にそれぞれ乗り移ることができる。つまり、光結合部７０は、位相制御部１０のコアを伝搬してきた光を、隣接する光導波路に光分配させる。

なお、分配に要する光結合部７０のＺ軸方向の長さや、対向する光導波路の間の長さｄ（図４Ａ参照）は、光電磁界分布の空間的な重なり積分とモード結合理論より算出することができる。導波路間の光結合は、導波路を伝播するモードフィールド（光振幅分布）の相互作用に依存する。結合度を示す結合係数は、モードの空間的な重なりを表す重なり積分χとして次の式（５）で与えられる。式（５）において、f_EOは、入射側のコアＰＳｎ中のモードフィールド（光振幅分布）を示し、f_SiNは、出射側のコアＣｎ１，Ｃｎ２中のモードフィールド（光振幅分布）を示す。

光結合部７０における断面構造について図２を参照して説明する。図２は図１のＧ−Ｇ線断面矢視図である。ここでは、クラッド９０は、コアＰＳｎの上下左右の全周囲と、コアＣｎ１，Ｃｎ２のそれぞれの上下左右の全周囲とを覆うように形成されている。また、クラッド９０は、基板１１０側から、下部クラッド９１と、中層クラッド９２と、上部クラッド９３と、をこの順に備えているものとして説明する。

下部クラッド９１は、コアＰＳｎやコアＣｎ１，Ｃｎ２の下に配置されるクラッドである。ここでは、入射側のコアＰＳｎの下に設けられたクラッドと、出射側のコアＣｎ１，Ｃｎ２の下に設けられたクラッドとは、同じ厚みで連続的に形成されている。つまり、下部クラッド９１は、コアＰＳｎやコアＣｎ１，Ｃｎ２に共有化されている。ただし、これに限らず、コア毎にそれぞれ個別のクラッドとしてもよい。ここで個別のクラッドとは、サイズが互いに異なるクラッドや、材料が互いに異なるクラッドでもよい。

中層クラッド９２は、下部クラッド９１の上に、コアの高さまで積層されてコアの側面を覆うクラッドである。ここでは、コアＰＳｎの高さが、コアＣｎ１，Ｃｎ２の高さよりも高いこととしており、中層クラッド９２は、コアＣｎ１，Ｃｎ２の上面を完全に被覆し、コアＰＳｎの上面と同じ高さまで積層されている。コアＰＳｎとコアＣｎ１との間は、クラッド材料で埋められている。また、コアＰＳｎとコアＣｎ２との間は、クラッド材料で埋められている。さらに、コアＣｎ１とコアＣｎ２との間もクラッド材料で埋められている（図１参照）。

上部クラッド９３は、中層クラッド９２の上に、コアの上面を完全に覆って光を閉じ込めるのに十分な厚さで積層されたクラッドである。ここでは、上部クラッド９３は、コアＰＳｎの上面を完全に被覆している。

上部クラッド９３と中層クラッド９２は、形式的に区分したものであり、同じハッチングで示すように同じ材料で同じタイミングで形成することができ、総称して上側クラッドと呼称する。下部クラッド９１のハッチングは、上側クラッドのハッチングと異なるが、同じ材料で形成することができる。

前記したように入射側のコアＰＳｎは有機材料からなり、出射側のコアＣｎ１，Ｃｎ２は無機材料からなる。具体的には、入射側のコアＰＳｎの材料は、例えばＥＯポリマーである。また、出射側のコアＣｎ１，Ｃｎ２の材料は、例えばＳｉＮである。また、クラッドは、例えばＳｉＯ₂である。

光結合部７０における平面構造について図４Ａを参照して説明する。図４Ａは、図３においてＨで示す領域を拡大して示す模式図である。入射側のコアＰＳ２の両隣に、１本ずつ出射側のコアＣ２１，Ｃ２２が並列している。出射側のコアＣ２１，Ｃ２２は、入射側のコアＰＳ２から間隔ｄだけ離してそれぞれ対称に配置されている。

図４Ａに示すように平面視では、光結合部７０において、出射側のコアＣｎ１，Ｃｎ２は、端部７１から幅が広がる勾配を有した形状である。例えば出射側のコアＣ２１において入射側のコアＰＳ２と対向する側（図４Ａにおいて下側）に配置された側面は、入射側のコアＰＳ２の側面に平行に配置され、端部７１の幅が最も小さい。そして、出射側のコアＣ２１において、端部７１から光出射側（図４Ａにおいて右側）に向かってコア幅は徐々にリニアに大きくなっている。
また、出射側のコアＣ２２において入射側のコアＰＳ２と対向する側（図４Ａにおいて上側）に配置された側面は、入射側のコアＰＳ２の側面に平行に配置され、端部７１の幅が最も小さい。そして、出射側のコアＣ２２において、端部７１から光出射側（図４Ａにおいて右側）に向かってコア幅は徐々にリニアに大きくなっている。

このように、光結合部７０において、入射側のコアＰＳｎを両側から挟むように配置された２本の出射側のコアＣｎ１，Ｃｎ２は全体として端部７１が先細りの形状である。このように出射側のコアＣ２１の勾配および端部７１の輪郭と、出射側のコアＣ２２の端部７１および勾配の輪郭と、を仮想的に繋げてできる形状を持った構造を以下ではテーパ構造と称する。

なお、図４Ｂに示すように、光結合部７０において、入射側のコアＰＳ２を両側から挟むように配置された２本の出射側のコアＣ２１，Ｃ２２の幅が均一であっても構わない。ただし、出射側のコアＣ２１，Ｃ２２の先端にテーパ構造を備えていると、結合効率を高める効果がある。また、光結合部７０において、出射側のコアＣ２１，Ｃ２２と、入射側のコアＰＳ２と、が接触するように配置しても構わない。その場合、図４Ｃに示すように、テーパ構造を有することが好ましい。

（光ビーム成形）
少制御部光偏向器１における光ビーム成形について図１および図３を参照して説明する。導波路型光フェーズドアレイにおいて、光ビームを成形する条件の１つとして、最大出射角度方向に光ビームを出射する際には、光出射部３０において隣接光導波路間の位相差をπとしなければならない。ところが、少制御部光偏向器１における光結合部７０において、例えば入射側のコアＰＳ１から出射側のコアＣ１１，Ｃ１２へ分岐したそれぞれの光は同位相であり、これら隣接しているコアＣ１１，Ｃ１２間には位相差を与えることができない。また、例えば入射側のコアＰＳ２から出射側のコアＣ２１，Ｃ２２へ分岐したそれぞれの光は同位相であり、これら隣接しているコアＣ２１，Ｃ２２間には位相差を与えることができない。

しかしながら、本実施形態では、図１に示すように交差光導波路を適用したことで、光の入れ替えを行うことができる。すなわち、光結合部７０において隣り合う２本の入射側のコアの間に配置された２本の出射側のコアによって、ピッチ変換部５０において交差する交差光導波路が形成されている。また、Ｚ軸を対称軸として、交差光導波路のペアが形成されている。言い換えると、光結合部７０において隣り合う２本の入射側のコアの間に配置された２本の出射側のコアに対して、デバイス中心軸（Ｚ軸）に対称な位置に、同様の２本の出射側のコアが形成されている。

具体的には、光結合部７０において隣り合うコアＰＳ１とコアＰＳ２との間には、コアＣ１２とコアＣ２１が配置されており、これらコアＣ１２とコアＣ２１は、ピッチ変換部５０において交差している。この交差光導波路によって、コアＣ１２の放射端Ｏ１２の位置と、コアＣ２１の放射端Ｏ２１の位置と、を入れ替えることができる。そのため、コアＣ１１，Ｃ１２間と、コアＣ２１，Ｃ２２間とに対して実質的に位相差を与えたことと等価な効果を奏することができる。
また、コアＰＳ１およびコアＰＳ２の位置からＺ軸に対称な位置では、光結合部７０において隣り合うコアＰＳ３とコアＰＳ４との間に、コアＣ３２とコアＣ４１が配置されており、これらコアＣ３２とコアＣ４１は、ピッチ変換部５０において交差している。

一方、隣り合う２本の入射側のコア自体が、デバイス中心軸（Ｚ軸）に対称な位置に配置されている場合、２つの光導波路は交差していない。具体的には、光結合部７０において隣り合うコアＰＳ２とコアＰＳ３との間には、コアＣ２２とコアＣ３１が配置されており、これらコアＣ２２とコアＣ３１は、ピッチ変換部５０において交差していない。

ピッチ変換部５０において交差する２本の出射側のコアＣｎ１，Ｃｎ２は、交差する箇所を含めて同じ厚みで形成されている。交差光導波路は、２つの光導波路が同一平面上で交差した光導波路構造である。図３に示す角度θの値によっては、伝搬する光はクロストークを生じる。クロストークが生じる角度は、光導波路に適用するコアおよびクラッドの屈折率や形状によって変化する。一般には、交差する角度が２０度以上であれば、クロストークを生じないことが知られている（参考特許文献：特許第３２５３００７号公報）。また、交差する角度が５度であっても、クロストークを抑制できる構造についての報告も知られている（参考非特許文献：橋本俊和、他３名、“波面整合法による光導波路形状とデバイスの新しい設計法”、レーザー研究、2007、35巻、Supplement号、p.178-179）。したがって、光導波路の材料や構造次第で、交差する角度θが２０度以下であってもクロストークを生じないレイアウトは実現可能である。なお、クロストークを生じないとは、光結合部７０において例えばコアＰＳ１からコアＣ２１に分配された光は、導波路を交差した後、放射端Ｏ２１に進み、コアＣ２１からの光が放射端Ｏ１２から出ることはないことを意味する。

少制御部光偏向器１において、位相制御された光は、入射側のコアＰＳｎから光モード結合によって、出射側のコアＣｎ１，Ｃｎ２を伝搬し、放射端Ｏｎ１，Ｏｎ２から各光導波路の外部の自由空間上へ出射する。自由空間に出射された光が回折・干渉することによって光干渉パターンが生じる。少制御部光偏向器１によって形成される光ビームパターンは、この自由空間に出射された光が回折・干渉することによって作られる光干渉パターンである。少制御部光偏向器１は、位相制御部１０で各導波路の位相を制御することによって、例えば中央に強い光強度を有する光ビームを形成することができる。また、少制御部光偏向器１は、位相制御部１０で各導波路の位相を制御することによって、例えば最大出射角度方向に光ビームを出射することができる。

［少制御部光偏向器の製造方法］
少制御部光偏向器１は、一般的な半導体装置製造プロセスにより製造することができる。例えば基板１１０上に下部クラッド９１を製膜し、出射側のコアの材料を積層してエッチングすることで出射側のコアＣｎ１，Ｃｎ２を形成する。そして、出射側のコアをマスクして入射側のコアの材料を積層してエッチングすることで入射側のコアＰＳｎを形成する。そして、下部クラッド９１および各コアの上から、上側クラッドを積層することで、少制御部光偏向器１を製造することができる。

［シミュレーション］
本願発明者らは、以下のシミュレーションを行うことで、少制御部光偏向器１の効果を確認した。まず、図１〜図５を適宜参照してシミュレーションの条件について説明する。
＜全体構成の条件＞
少制御部光偏向器１では、入射側の光導波路の数ｎ＝４、出射側の光導波路の数＝８、前記した式（３）におけるＮ（放射端の数）＝８とした。位相制御部１０は、４本の入射側のコアＰＳｎからなる光導波路である。以下、シミュレーションにおいて入射側のコアを有機コアと呼ぶ。ピッチ変換部５０は、８本の出射側のコアＣｎ１，Ｃｎ２からなる光導波路とする。以下、シミュレーションにおいて出射側のコアを無機コアと呼ぶ。光出射部３０は、８本の無機コアＣｎ１，Ｃｎ２からなる光導波路の放射端Ｏｎ１，Ｏｎ２とする。光結合部７０は、第ｎ番目の１つの有機コアＰＳｎに対して２つの無機コアＣｎ１，Ｃｎ２に光を等分配する。

＜構造・材料構成の条件＞
（位相制御部１０の条件）
ピッチｐ１＝１０μｍ（図５Ａを参照）
有機コアＰＳｎの材料：ＥＯポリマー（屈折率１．６６）
有機コアＰＳｎの断面形状：正方形（幅１．５μｍ、厚み１．５μｍ）
クラッド９０の材料：ＳｉＯ_２（屈折率１．４８）
下部クラッド９１の厚み：３μｍ
クラッド９０全体の厚み：７μｍ
無機コアＣｎ１，Ｃｎ２の上に積層されたクラッドの厚み：３．５μｍ
下部クラッド９１の上に積層されたクラッドの厚み：４μｍ
無機コアＣｎ１，Ｃｎ２の材料：ＳｉＮ（屈折率２．０１）
無機コアＣｎ１，Ｃｎ２の断面形状：長方形（幅１．０μｍ、厚み０．５μｍ）

（光結合部７０の条件）
有機コアＰＳｎと無機コアＣｎ１，Ｃｎ２で下部クラッド９１を共通とした。ここで、各コアは、厚み３μｍの下部クラッド上にあり、コアの周囲はＳｉＯ_２で覆われている。また、無機コアは、有機コアと同じ下部クラッド上にある。有機コアＰＳｎの両隣に無機コアＣｎ１，Ｃｎ２を並列させた構造とした。
有機コアＰＳｎと無機コアＣｎ１，Ｃｎ２との間隔ｄ：０．４μｍ（一定）
無機コアＣｎ１，Ｃｎ２には、図４Ａに示すテーパ構造を適用した（図５Ｂ、図５Ｃを参照）。
テーパ先端での幅：０．５μｍ（図５Ｂを参照）
テーパ終端での幅：１．０μｍ（図５Ｃを参照）
テーパの長さ：５００μｍ
テーパの厚み：０．５μｍ（一定）
テーパ終端は、ピッチ変換部５０の無機コアにそれぞれ接続されている。有機コアＰＳｎは、テーパの終端地点で途切れており、その先へは延長しない構造とした。

（ピッチ変換部５０の条件）
無機コアＣｎ１，Ｃｎ２については、位相制御部１０と同じ材料・断面形状とした。
無機コアＣｎ１，Ｃｎ２の材料：ＳｉＮ（屈折率２．０１）
無機コアＣｎ１，Ｃｎ２の断面形状：長方形（幅１．０μｍ、厚み０．５μｍ）
交差光導波路は、面内で交差する構造である（図５Ｄ、図５Ｅを参照）。図５Ｄに示すように、無機コアＣ１２と無機コアＣ２１は、交差地点の手前で各導波路の側面部が接触して一体化しており同じ層内で合流している（図５Ｄを参照）。また、無機コアＣ１２と無機コアＣ２１は、同じ層内で合流した地点から先の放射端側では、Ｘ軸方向における配置が入れ替わっている（図５Ｅを参照）。
交差光導波路の交差角度θ：４°（図３を参照）
ピッチ変換部５０では、無機コアＣｎ１，Ｃｎ２のすべての光路長を均一にするように、曲げ光導波路等を適用し、長さを調節した。
（光出射部３０の条件）
ピッチｐ２＝２μｍ（図５Ｅを参照）

＜シミュレーション結果＞
前記したシミュレーションの条件の下、少制御部光偏向器１の出力光ビームについて、ビーム伝播法（ＢＰＭ：Beam Propagation Method)によるシミュレーションを行った結果について図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ、図７Ｂ、図８Ａおよび図８Ｂを参照（適宜各図面参照）して説明する。
（光の方向についての概略）
少制御部光偏向器１は、光出射部３０における導波路の位相の分布によって、光の方向を決めることが可能である。導波路間の位相をすべて同位相にすると、図６Ａおよび図６Ｂに示すように、真ん中に鋭いビームを出すことができる。また、導波路間に位相差π（１８０°）を与えることで、図７Ａおよび図７Ｂに示すように、最大方向にビームを出すことができる。これにより、少制御部光偏向器１は、光ビームを成形しつつ偏向面を大きくすることができることを確認できた。
なお、図６Ｂおよび図７Ｂに示すグラフの横軸は、光の出射方向の角度を示しており、縦軸は光強度を示している。ここで、光の出射方向の角度は、図１のＸ軸とＺ軸の交点からＸ軸の正の方向に測ったプラスの角度と、Ｘ軸の負の方向に測ったマイナスの角度とを示している。また、光の各出射方向の角度における光強度については、図１のＺ軸上の方向、すなわち少制御部光偏向器１の正面方向における値（最大値）を１、最小値を０に正規化して表わしている。

（隣接光導波路間の位相差が０の場合）
隣接光導波路間の位相差が０の場合の光ビーム遠視野像について図６Ａを参照して説明する。図６Ａに示す画像は、隣接光導波路間の位相差が０の場合に、光出射部３０から得られた光ビームの遠視野像を示す。図６Ａでは、光強度を濃淡で示し、濃い領域ほど光強度が高くなっている。これは、位相制御部１０の有機コアＰＳ１〜ＰＳ４に、同位相となるような光を伝搬させたときの結果である。すなわち、有機コアＰＳ１，ＰＳ２といった隣接する光導波路間の位相差が０となっている。この場合、図６Ａに示すように、中央にピークを有する光ビームが確認された。この光ビーム幅、すなわち光ビーム広がり角度は７．３°であった。ここで、光ビーム広がり角度の値（７．３°）は、図６Ｂに示す１次元プロファイルの半値幅から求められたものである。この光ビーム広がり角度の結果についての考察は後記する。

（隣接光導波路間の位相差がπの場合）
隣接光導波路間の位相差がπの場合の光ビーム遠視野像について図７Ａを参照して説明する。図７Ａに示す画像は、隣接光導波路間の位相差がπの場合に、光出射部３０から得られた光ビームの遠視野像を示す。図７Ａでは、光強度を濃淡で示し、濃い領域ほど光強度が高くなっている。

このケースでは、位相制御部１０の有機コアＰＳ１，ＰＳ３には０．５πの位相となるような光を伝搬させ、また、有機コアＰＳ２，ＰＳ４には１．５πの位相となるような光を伝搬させている。すなわち、位相制御部１０において、奇数番目の有機コアと偶数番目の有機コアとの位相差をπとした。これにより、また、ピッチ変換部５０に交差導波路が存在するため、光出射部３０において、すべての隣接光導波路間の位相差をπにすることができる。この場合、図７Ａに示すように、最大出射方向に光ビームのピークが確認された。最大出射角度は±２１°、つまり最大偏向角度は４２°であった。ここで、最大偏向角度（４２°）は、図７Ｂに示す１次元プロファイルにおける２つのピークの間の角度として求められたものである。

（最大偏向角度について）
ここで、少制御部光偏向器１の光出射部３０における導波路の放射端のピッチ（ｐ２）と最大偏向角度との関係について図８Ａを参照して説明する。図８Ａに示すグラフの横軸は、放射端のピッチ［μｍ］であり、縦軸は、前記した式（４）の右辺の分子である最大偏向角度［°］であって、前記した式（２）で示される最大出射角度θ_maxの２倍の値である。図８Ａに示すグラフは、前記した式（２）および式（４）を用いて、入力光の波長λ＝１５５０ｎｍとする計算条件から計算した理論値を図示したものである。このグラフから、導波路の放射端のピッチが狭くなるほど、最大偏向角度が大きくなることが分かる。本シミュレーションでは、光出射部３０の条件として、ピッチｐ２＝２μｍとしており、シミュレーション結果の最大偏向角度（４２°）は、図８Ａにおいてピッチが２μｍの場合の最大偏向角度の理論値とよく一致するものとなった。

（光ビーム広がり角度について）
ここで、少制御部光偏向器１の光出射部３０におけるチャネル数と光ビーム広がり角度との関係について図８Ｂを参照して説明する。光出射部３０におけるチャネル数とは、光出射部３０における導波路の放射端Ｏｎ１，Ｏｎ２の数Ｎのことである。図８Ｂに示すグラフの横軸は、光出射部におけるチャネル数、つまり光出射部３０における導波路の放射端Ｏｎ１，Ｏｎ２の数Ｎである。また、縦軸は、前記した式（３）で示される光ビーム広がり角度Φ、つまりビームの細さである。図８Ｂに示すグラフは、前記した式（３）を用いて、入力光の波長λ＝１５５０ｎｍ、および、ピッチｐｒ＝２μｍとする各計算条件から計算した理論値を図示したものである。このグラフから、光の出てくるチャネル数、すなわち放射端の数Ｎが増加するほど、広がり角度を減らしてビームの収束性が良くなることが分かる。本シミュレーションでは、入射側の光導波路の数ｎ＝４、放射端の数Ｎ＝８の条件としており、シミュレーション結果の光ビーム広がり角度の値（７．３°）は、図８Ｂにおいてチャネル数が８の場合の光ビーム広がり角度の理論値とよく一致するものとなった。

これに対して、従来構造の光偏向器では、入射側の光導波路の数ｎと放射端の数Ｎとが等しい。従来構造の光偏向器において、位相制御部における光導波路の数が４であれば、光ビーム広がり角度は、図８Ｂにおいてチャネル数が４の場合の理論値（１８°以上）と同じになってしまう。一方、少制御部光偏向器１は、位相制御部において従来構造の光偏向器が保持するのと同じ数の光導波路を備えていても、ビームの収束性が良くなる。つまり、少制御部光偏向器１は、位相制御部１０において少ない本数の光導波路を保持して光の位相制御の煩雑さを抑制しつつ、より多くのチャネル数（放射端の数Ｎ）を確保することができる。また、少制御部光偏向器１は、位相制御部１０にｎ本の入射側のコアを備えているときに、光出射部３０から出射する光ビーム広がり角度Φについて、従来構造の光偏向器において位相制御部に２ｎ本の入射側のコアを備えているものに相当する性能を発揮することができる。

また、少制御部光偏向器１は、光出射部３０におけるチャネル数（放射端の数）がＮ本の場合に成形される光ビームを、Ｎ／２本の光導波路を備えた位相制御部１０で制御することができる。ここで、位相制御部１０における１本の光導波路の時間当たりの消費電力をｘ［Ｗ］とすると、少制御部光偏向器１であれば、ｘ×Ｎ／２［Ｗ］の電力で位相制御部１０の全体が動作可能である。つまり、従来構造の光偏向器に必要なｘ×Ｎ［Ｗ］の電力に比べて１／２に抑えることが可能である。

さらに、少制御部光偏向器１は、光結合部７０の有機コアＰＳｎを両側から挟む無機コアＣｎ１，Ｃｎ２に図４Ａに示すテーパ構造を適用したことにより、有機コアＰＳｎと無機コアＣｎ１，Ｃｎ２との結合効率を８５％にすることができた。なお、無機コアＣｎ１，Ｃｎ２に、図４Ｂに示す構造を適用した場合、結合効率は６５％であり、テーパ構造を適用した場合と比べて低下した。

［応用例］
光フェーズドアレイについて図９を参照して説明する。図９は、図１の少制御部光偏向器を適用した光フェーズドアレイを模式的に示す構成図である。なお、光フェーズドアレイ１００は、光導波路を形成するコアの周囲にクラッドを備えているが、図９では図示を省略している。また、図１の少制御部光偏向器１と同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。

光フェーズドアレイ１００は、導波路型光フェーズドアレイであって、基板１１０と、光入射部１２０と、光スプリッタ１３０と、複数の電極線１４０と、少制御部光偏向器１と、を備えている。
基板１１０は、様々な材料を用いて形成することができる。例えば、基板１１０の材料としては、ソーダガラス、ＳｉＯ₂、石英、メチルアクリレート、シリコン、ＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、アルミナ、ＧａＡｌＡｓ、ＩｎＰ等を用いることが可能である。基板１１０の一方の面には、光入射部１２０と、光スプリッタ１３０と、複数の電極線１４０と、少制御部光偏向器１と、が形成されている。

光入射部１２０は、外部から光を入射する部分であり、１本以上の光導波路から形成される。光源としては、レーザー光源や発光ダイオード（ＬＥＤ）等を適用することができる。光フェーズドアレイ１００には、さらに必要に応じて、光源と光入射部１２０との間に、ボールレンズやシリンドリカルレンズ等を備えるようにしてもよい。光スプリッタ１３０は、光入射部１２０を導波した光を、アレイ状に配列した各光導波路に分配する光学素子である。一例として、多モード干渉を利用したＭＭＩ（Multi Mode Interference）やＹ分岐などが挙げられる。

複数の電極線１４０は、少制御部光偏向器１の位相制御部１０の各チャネルにそれぞれ電気的に接続されている。位相制御部１０は、複数の電極線１４０から各チャネルに電圧や電流を加えることによって、位相制御部１０の光導波路内を伝搬する光の位相が制御可能になっている。なお、位相制御部１０における必要な電力消費量は、チャネル数の増加に伴って増大するため、チャネル当たりの消費電力を小さくすることが望ましい。電極線１４０の材料としては、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｃｒなどの金属を用いることができる。電極線１４０を透明電極としてもよく、その場合、材料としては、ＩＺＯ（Indium Zinc Oxide：インジウム亜鉛酸化物）やＩＴＯ（Indium Tin Oxide：インジウム−スズ酸化物）などを挙げることができる。

光フェーズドアレイは、複数の放射端から１本のビームを作るときに、放射端のピッチを狭くすると、最大偏向角度が大きくなり、また、放射端の本数を多くすると、出力光ビームを細く絞ることができる。ただし、従来構造の光フェーズドアレイでは、光導波路の放射端と位相制御部の光導波路とが１対１で対応している。そのため、放射端のピッチを狭くすると、位相制御部の光導波路を非常に緻密に作らなくてはならず、また、放射端の本数を多くすると、位相制御部における位相制御にかかる消費電力も増加してしまう。
一方、光フェーズドアレイ１００は、位相制御部１０の光導波路の数ｎに対して光出射部３０における光導波路の放射端の数を２ｎに増加させた構造を有している。

また、従来構造の光フェーズドアレイでは、光出射部にＮ本の放射端を備えている場合、位相制御部にも同じくＮ本の光導波路が必要である。
一方、光フェーズドアレイ１００は、位相制御部１０の光導波路の数をＮ／２本に低減しても、Ｎ本の放射端を備えた光フェーズドアレイと同じ光ビーム広がり角度Φを有するビーム光線が得られる性能を発揮すると共に消費電力を抑制することができる。

［変形例］
前記実施形態に係る少制御部光偏向器において、交差光導波路は平面交差することとして説明したが、一方の光導波路が他方の光導波路の上に乗り上げて立体交差することも可能である。ただし、交差光導波路は平面交差する方が、製造の容易性から好ましい。また、ピッチ変換部５０で無機コアの長さを調節する代わりに、放射端の位置で光路長が等しくなるように、位相制御部１０において、伝搬する光の位相を調節するようにしてもよい。また、光出射部３０から出力する光ビームをＺＸ水平面内から上方（Ｙ軸方向）に出射するために、放射端に回折格子をさらに設けるようにしてもよい。また、少制御部光偏向器として、入射側の光導波路の本数ｎが４本である形態を説明したが、これに限らず、本数ｎは例えば８本や１６本、あるいはそれ以上でも構わない。

以上、本発明の実施形態に係る少制御部光偏向器について説明したが、本発明の趣旨はこれらの記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈されなければならない。また、これらの記載に基づいて種々変更、改変などしたものも本発明の趣旨に含まれることはいうまでもない。

１ 少制御部光偏向器
１０ 位相制御部
３０ 光出射部
５０ ピッチ変換部
７０ 光結合部
７１ 端部
９０ クラッド
９１ 下部クラッド
９２ 中層クラッド
９３ 上部クラッド
１００ 光フェーズドアレイ
１１０ 基板
１２０ 光入射部
１３０ 光スプリッタ
１４０ 電極線
ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４ コア（入射側のコア）
Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ３１，Ｃ３２，Ｃ４１，Ｃ４２ コア（出射側のコア）
Ｏ１１，Ｏ１２，Ｏ２１，Ｏ２２，Ｏ３１，Ｏ３２，Ｏ４１，Ｏ４２ 放射端

Claims (7)

1. 入射側の光導波路を形成する複数本の入射側のコアが第１ピッチで並設された位相制御部と、
   出射側の光導波路を形成する複数本の出射側のコアの放射端が第２ピッチで並設された光出射部と、
   前記第２ピッチが前記第１ピッチよりも小さくなるように前記出射側の光導波路が形成されたピッチ変換部と、
   前記入射側のコアと前記出射側のコアとの間で光モード結合できるように、全ての前記入射側のコアのそれぞれの光出射側の一部分と全ての前記出射側のコアのそれぞれの光入射側の一部分とが配設された光結合部と、を備え、
   前記光結合部では、２本の前記出射側のコアの間に１本の前記入射側のコアが配置され、
   前記光結合部において隣り合う２本の前記入射側のコアの間に配置された２本の前記出射側のコアによって、前記ピッチ変換部において交差する交差光導波路が形成されている、少制御部光偏向器。
2. 前記出射側の光導波路は曲げ光導波路を含む、請求項１に記載の少制御部光偏向器。
3. 前記ピッチ変換部において交差する２本の前記出射側のコアは、交差する箇所を含めて同じ厚みで形成されている、請求項１または請求項２に記載の少制御部光偏向器。
4. 前記光結合部において、前記出射側のコアは、端部から幅が広がる勾配を有した形状である、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の少制御部光偏向器。
5. 前記光結合部において、前記入射側のコアを両側から挟むように配置された２本の前記出射側のコアは全体として前記端部が先細りの形状である、請求項４に記載の少制御部光偏向器。
6. 前記入射側のコアは有機材料からなり、前記出射側のコアは無機材料からなる、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の少制御部光偏向器。
7. 前記入射側のコアの下に設けられたクラッドと、前記出射側のコアの下に設けられたクラッドとは、同じ厚みで連続的に形成されている、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の少制御部光偏向器。

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