JP7386072B2

JP7386072B2 - 光偏向装置

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Publication number: JP7386072B2
Application number: JP2019230959A
Authority: JP
Inventors: 芳邦平野; 裕司宮本; 賢司町田; 靖本山; 宏菊池
Original assignee: Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2023-11-24
Anticipated expiration: 2039-12-20
Also published as: JP2021099421A

Description

本発明は、光フェーズドアレイ技術を用いた光偏向装置に関する。

空間光通信や距離センサ、レーダー、立体ディスプレイ等への応用を目的に、ビームの方向を制御するデバイス（光偏向装置）の研究開発が進められている。特に、光フェーズドアレイを用いたものは、機械的な操作なしでビームを掃引することができることから、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（非特許文献１～３）。このような光偏向装置は、複数本の光導波路を基板上に並設した平面光導波路回路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuit）を利用し、これに光導波路毎の光の位相調整手段を備えることで実現することができる。光の位相調整手段は、例えば、光導波路を両面または両側から挟んで電界を印加する一対の電極（特許文献１）、電荷を注入する金属電極の配置、または熱を加える抵抗ヒータである。光導波路のそれぞれは、外部からの電界の印加、注入電荷による内部電界、または加熱によって屈折率が変化し、伝播する光の位相を変化させる。このような構造により、光偏向装置は、図４に示すように、複数の光導波路１１のそれぞれを伝播して光Ｌｏ₀，Ｌｏ₁，Ｌｏ₂，…が末端から出射すると、これらの光が合成されて、光導波路１１の延設方向（光導波路方向）を軸に、光Ｌｏ₀，Ｌｏ₁，Ｌｏ₂，…の位相差δに応じた角度θに偏向したビームＬｏ_synを出力する。また、近接して並設された光導波路は、光をそれぞれの内部で当該光導波路に沿って伝播させるだけでなく、相互に交換する性質を有し（非特許文献２，４）、断面形状が同一で、かつ隣接する光導波路間で交換が起きる場合には、位相がπ／２だけ変化することが知られている。

光偏向装置は、下式（１）に表すように、光導波路の光の出力側の端におけるピッチｄが狭いほど、出力するビームの偏向角θを位相差δに対して大きくすることができる。一方、下式（２）に近似的に表すように、光導波路の本数Ｎが多いほど、また、光導波路のピッチｄが広いほど、ビームの幅（拡がり角）ψが狭くなる。したがって、光偏向装置は、光導波路のピッチｄが狭く、かつ本数Ｎが多いほど、性能指標である解像点数（２θ_MAX／ψ）が大きくなる。なお、式中のλは、光導波路に入力する光の波長である。

光偏向装置は、光導波路を多数備えると、光導波路毎に設けられる位相調整手段によって電力消費量が増大する上、位相調整手段を構成する電極に接続する信号線を配置するために大型化したり、構造が複雑になったりする。この問題を解決するために、例えば特許文献２によれば、隣り合う所定本数の光導波路を１つのグループとして電極を共有し、かつグループ内で、光導波路毎に異なる長さで対向するような電極形状として、共通の電極で異なる位相に設定することができる。

特許第３５１２４２９号公報特開２０１８－１０１１８号公報

高橋徹、"電子情報通信学会知識ベース知識の森 4群－2編－7章アレーアンテナ"、［online］、２０１０年４月、一般社団法人電子情報通信学会、［２０１９年４月１１日検索］、インターネット〈URL:http://www.ieice-hbkb.org/files/04/04gun_02hen_07.pdf〉山内潤治、足達慎、中野久松、"ビーム伝搬法による光導波路アレイのビーム偏向解析"、信学技報 A・P95-1、一般社団法人電子情報通信学会、１９９５年４月平野芳邦、本山靖、田中克、町田賢司、菊池宏、"電気工学ポリマーを用いた光フェーズドアレーの動作解析"、ＮＨＫ技研Ｒ＆Ｄ，Ｎｏ．１６６，ｐ．４６－５１，２０１７年１１月ヤリーヴ著、多田邦雄、神谷武志監訳、"エレクトロニクス展開編"、原書５版、丸善株式会社、２０００年、p. 650-656

特許文献２に記載された構造では、信号線の数を減らして小型化することはできるが、電力消費量の低減が不十分であり、改良の余地がある。

本発明は前記問題点に鑑み創案されたものであり、電力消費量の増大を抑制しつつ解像点数を大きくすることのできる光偏向装置を提供することを課題とする。

本発明者らは、光導波路を伝播する光が外へ漏れて近接する他の光導波路に進入することにより、光を入力されていない光導波路でも光が伝播することに着目し、一部の光導波路に光を入力しない構成とすることに想到した。

すなわち本発明に係る光偏向装置は、複数本の光導波路が透光性部材を介在して並設されて、前記光導波路の一端から出射した光をビームとして出力するものであって、前記複数本の光導波路は、前記一端まで互いに平行に並設された出力準備部を有し、前記光導波路は、隣り合う２本以上で主光導波路束を１以上構成し、かつ、前記主光導波路束に含まれない１本または隣り合う２本以上で副光導波路束を構成し、前記主光導波路束の光導波路毎に、当該光導波路を伝播する光の位相を調整する位相調整手段を備え、前記主光導波路束の光導波路の他端から光を入力される構成とする。

かかる構成により、光偏向装置は、一部の光導波路に光を入力することにより、これらの光導波路に限定して位相調整手段を備えて、それ以外の光導波路には電圧印加等を不要とする。

本発明に係る光偏向装置によれば、光導波路の本数に対して電力消費量が少なくて済み、電力消費量の増大を抑制しつつ、光導波路の本数を増やして解像点数を大きくすることができる。

本発明の第１実施形態に係る光偏向装置の外観図である。図１に示す光偏向装置の出力側の部分の拡大平面図である。図１に示す光偏向装置の構造を説明する模式図であり、光導波路の位相調整部における幅方向の部分断面図である。図１に示す光偏向装置の構造を説明する模式図であり、光導波路の位相調整部における光導波路方向の部分断面図である。光偏向装置における光導波路からの出力光の合成を説明する模式図であり、光偏向装置の部分拡大図である。本発明の第１実施形態に係る光偏向装置の隣り合う光導波路における光の伝播と移行を説明する模式図であり、位相差０の場合である。本発明の第１実施形態に係る光偏向装置の隣り合う光導波路における光の伝播と移行を説明する模式図であり、位相差のある場合である。本発明の第２実施形態に係る光偏向装置の隣り合う光導波路における光の伝播と移行を説明する模式図である。シミュレーションにおける、本発明に係る実施例の光偏向装置のレイアウトデザインの画像であり、位相調整部から出力準備部の一部までを示す。シミュレーションにおける、拡散光導波路を備えない比較例の光偏向装置のレイアウトデザインの画像であり、位相調整部から出力準備部の一部までを示す。シミュレーションによる、本発明に係る実施例の光偏向装置における光強度分布である。シミュレーションによる、拡散光導波路を備えない比較例の光偏向装置における光強度分布である。シミュレーションによる、本発明に係る実施例の光偏向装置から出力されるビームのパターン像における光強度分布である。シミュレーションによる、拡散光導波路を備えない比較例の光偏向装置から出力されるビームのパターン像における光強度分布である。

本発明に係る光偏向装置を実現するための形態について、図面を参照して説明する。
本発明に係る光偏向装置は、可視光放射や赤外線通信等を行うものである。図面に示す光偏向装置およびその要素は、明確に説明するために、大きさや位置関係等を誇張していることや、形状や構造を単純化していることがあり、また、複数個設けられた要素については個数を少なくしていることがある。

〔光偏向装置〕
本発明の実施形態に係る光偏向装置１０は、図１および図２に示すように、８本の光導波路１１およびその両外側に４本ずつ設けられた拡散光導波路（光導波路）１２の合計１６本の光導波路と、光導波路１１および拡散光導波路１２のそれぞれの間を埋めるクラッド層（透光性部材）３と、光導波路１１毎に当該光導波路１１を伝播する光の位相を調整する一対の電極４，５（位相調整手段）と、を備える構造であり、さらにこれらの部品を支持する基板６を備える。詳しくは、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、光偏向装置１０は、第１電極４と第２電極５（適宜まとめて、電極４，５）が設けられている領域において、下から、基板６、第１電極４、クラッド層３、光導波路１１、クラッド層３、第２電極５、の順に配置されている。光偏向装置１０はさらに、光偏向装置１０の側面に先端が露出して設けられた光入力部１ｉ、および光入力部１ｉから８本の光導波路１１の先端に分岐して接続する分配器１ｄを備える。そして、光偏向装置１０は、光入力部１ｉに入力光Ｌｉ_totを入力されることによって光導波路１１の先端から光を入射されて、光導波路１１および拡散光導波路１２（適宜まとめて、光導波路１１，１２）のそれぞれの末端から出射した光が結合されて１本のビーム（出力光）Ｌｏ_synを出力する。光偏向装置１０は、平面（ｘｚ面を指す）視でｚ方向に長い長方形の平板形状であり、ｘ方向に対称（ｚ軸対称、左右対称）な構造で、光導波路１１，１２の末端を＋ｚ方向の端に有する。なお、図１では、クラッド層３は透明であるとして破線で輪郭線のみを表し、図２では、クラッド層３は省略する。

光偏向装置１０は、光導波路１１，１２の光の出力側の端（末端）における並び方向であるｘ方向にビームＬｏ_synの方向を制御する、一次元の光偏向装置である。そして、光偏向装置１０は、公知の光フェーズドアレイ（例えば、非特許文献３の１図）に対して、一部の光導波路を、光の入力側を切り離して短くし、この短くした光導波路の分の位相調整手段を減らした構造であるといえる。以下、本実施形態に係る光偏向装置を構成する各要素を詳細に説明する。

（光入力部、分配器）
光入力部１ｉは、光導波路１１を伝播する光を外部から入力するための入力ポートであり、光偏向装置１０の側面（端面）の１箇所、ここでは、光導波路１１，１２の末端面が露出した側面と対向する側面の中心に、露出して形成される。光偏向装置１０は、この光入力部１ｉの端面に、赤外線等の所定の波長の光源（図示省略）を対向させて使用される。光源としては、レーザー光源が好ましく、あるいは発光ダイオード（ＬＥＤ）等の一般光源を適用することもできる。光偏向装置１０は、さらに必要に応じて、光源と光入力部１ｉの間に、ボールレンズやシリンドリカルレンズ等の光学素子（図示省略）が設けられる。光偏向装置１０はさらに、その他の光学素子として、光入力部１ｉにおける入力光Ｌｉ_totの偏光を特定方向に揃えるために、光の偏光方向を保持する偏波保持ファイバを光源に接続し、あるいは、光入力部１ｉに入射する光の偏光方向を選別するフィルタを設置することが好ましい。入力光Ｌｉ_totの偏光方向については、後記の光導波路１１の説明において説明する。分配器１ｄは、１本の光入力部１ｉから入力された光をすべての（８本の）光導波路１１に等分配する光学素子であり、公知の構造を適用することができる。具体的には、図１に示すような、光を２分岐ずつ分配する３ｄＢカプラ（結合器）や、多モード干渉（ＭＭＩ：Multi Mode Interference）型カプラと呼ばれる１入力多出力の光ビームスプリッタが挙げられる。本実施形態において、光入力部１ｉおよび分配器１ｄは、光導波路１１，１２と同一の光学材料で形成され、さらに光導波路１１と連続して一体に形成される。一体に形成された光導波路１１、分配器１ｄ、および光入力部１ｉ、ならびに拡散光導波路１２を、適宜まとめてコア層１と称する。コア層１の材料については、後記の光導波路１１の説明において記載する。

（光導波路、拡散光導波路）
光導波路１１および拡散光導波路１２は、末端から長さｌ_zまでの部分が出力準備部１ｏとして、ｚ方向に沿った直線状に形成されてピッチｄでｘ方向に並設され、光の出射口となる末端面が光偏向装置１０の１側面で揃えられている。本実施形態に係る光偏向装置１０においては、合計Ｎ本（図１、図２では、Ｎ＝１６）の光導波路１１，１２のうちの中央に配置されたＮ_r本（図１、図２では、Ｎ_r＝８）が光導波路１１であり、この隣り合うＮ_r本の光導波路１１からなる群を主光導波路束１１０と称する。そして、光導波路１１，１２のうちの主光導波路束に含まれない両最外側からの各Ｎ_d本（図１、図２では、Ｎ_d＝４）が拡散光導波路１２であり、隣り合うＮ_d本の光導波路１２からなる群を副光導波路束１２０と称する。

光導波路１１は、先端が光の入射口として分配器１ｄに接続されて、光入力部１ｉおよび分配器１ｄを経由して入力された光を伝播させて末端へ導く。１組の主光導波路束１１０を構成する光導波路１１の本数Ｎ_rは２以上とし、Ｎ_rが大きいほどビームＬｏ_synの偏向角θの誤差が生じ難い。ただし、光偏向装置１０は、光導波路１１の本数に比例して電力消費量が増大する。一方、拡散光導波路１２は、先端面で途切れて形成されて１本ずつ分離し、先端から光が入射しないように構成されるが、後記するように、末端からは光導波路１１と同様に光が出射する。１組の副光導波路束１２０を構成する拡散光導波路１２の本数Ｎ_dは１以上とし、Ｎ_dが大きいほど電力消費量を増大させずにビームＬｏ_synの拡がり角ψを狭くすることができる。ただし、Ｎ_dが過大であると、主光導波路束１１０から大きく離れた外側に配置された拡散光導波路１２において十分な強度の光を出射させることが困難となり、効果が向上し難くなる。Ｎ_dの適正な値は、後記するように、出力準備部１ｏの長さｌ_z等に応じて設計され、ｌ_zが長いほどＮ_dを大きくすることができる。また、２組の副光導波路束１２０，１２０は、拡散光導波路１２の本数が同数であること、すなわち、光偏向装置１０は、少なくとも出力準備部１ｏにおいてｘ方向に対称な構造であることが好ましい。

光導波路１１および拡散光導波路１２は、出力準備部１ｏの先端に連続して、先端側に向けて間隔が漸増する間隔変換部１ｓを有する。さらに光導波路１１は、間隔変換部１ｓの先端に連続して、ピッチｄよりも広いピッチで並設された位相調整部１ｔを含む部分を有し、そのさらに先端で分配器１ｄに接続する。したがって、光導波路１１，１２は、ピッチｄで平行に並設された出力準備部１ｏから、間隔変換部１ｓが扇状に広がって形成され、さらに光導波路１１のみが先端側へ延長されて位相調整部１ｔが形成されて、分配器１ｄに接続する。

光導波路１１は、屈折率が変化することによって、伝播する光の位相を調整する。そのために、光導波路１１は、入力光Ｌｉ_totの波長λの光を透過させ、波長λでの屈折率が電気的なまたは熱的な手段により変化させられる電気光学（ＥＯ）材料や熱光学（ＴＯ）材料からなる。また、前記したように、拡散光導波路１２は光導波路１１と同じ材料で形成される。以下、本明細書においては、別途記載のない限り、光とは波長λの光を指し、屈折率とは波長λの光の屈折率を指す。このような材料は公知の光偏向装置のコア層の材料が適用され、無機材料としては、ＬｉＮｂＯ₃（ＬＮ）、ＬｉＴａＯ₃（ＬＴ）、(Ｐｂ，Ｌａ)(Ｚｒ，Ｔｉ)Ｏ₃（ＰＬＺＴ）、ＮＨ₄Ｈ₂ＰＯ₄（ＡＤＰ）、ＫＨ₂ＰＯ₄（ＫＤＰ）、Ｂｉ₁₂ＳｉＯ₂₀（ＢＳＯ）、Ｂｉ₁₂ＧｅＯ₂₀（ＢＧＯ）、ＴｉＯ₂，ＳｒＴｉＯ₃，ＧａＡｓ，ＩｎＰ，Ｓｉのような誘電体材料、半導体材料等から選択される一種または二種以上の混合物（例えばＴｉ拡散ＬＮ結晶）が挙げられる。有機材料としては、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）や非晶質ポリカーボネート（ＡＰＣ）等の光を透過するポリマーに電気光学（ＥＯ）効果を有する低分子化合物（ＥＯ色素分子）を分散させたＥＯポリマーが挙げられる。ＥＯ色素分子は、アゾ色素やメロシアニン系色素、例えば、４－[Ｎ－(２－ヒドロキシエチル)－Ｎ－エチルアミノ]－４'－ニトロアゾベンゼン（ＤＲ－１：Disperse Red 1）、２－メチル－６－(４－Ｎ，Ｎ－ジメチルアミノベジリデン)－４Ｈ－ピラン－４－イリデンプロパンジニトリル、４－{[４－(ジメチルアミノ)フェニル]イミノ}－２、５－シクロヘキサジエン－１－オン、およびトリシアノフラン（ＴＣＦ）をアクセプタとするＦＴＣ（Furan-Thiophene Chromophore）等が挙げられる。

ＥＯ材料からなる光導波路１１は、第１電極４と第２電極５から厚さ方向（ｙ方向）に印加される電界Ｅに応じて屈折率ｎ_(E)が変化して、この領域を伝播する光の位相を変化させる。光導波路１１の電極４，５に挟まれた領域を、位相調整部１ｔと称する。位相調整部１ｔは、光導波路１１の光の入力側（先端側）近傍に設けられ、光偏向装置１０においてはｚ方向に沿った直線状に形成されている。光導波路１１の屈折率を、電界を印加されていないときにおいてｎ₀とすると、電界Ｅを印加されたときの変化量Δｎ（＝ｎ_(E)－ｎ₀）は下式（３）で表される。ｒ₃₃は、光導波路１１（コア層１）を構成するＥＯ材料の電気光学（ＥＯ）効果の高さを示す物性値ＥＯ係数である。そして、光が光導波路１１の長さｌ_tの位相調整部１ｔを伝播する際の位相の変化量φは、下式（４）で表される。必要な位相の変化量、例えば最大でπ（半波長分）が得られるように、光導波路１１の屈折率ｎ₀およびＥＯ係数ｒ₃₃ならびに入力光Ｌｉ_totの波長λに応じて、電界Ｅや位相調整部１ｔの長さｌ_tを設計する。また、分配器１ｄからの光路長差等によって光導波路１１同士で位相のずれを生じた場合にも、位相調整部１ｔで補正することができる。光導波路１１の位相調整部１ｔにおける間隙は、電極４，５の構成、主に第１電極４の形状に合わせて設計されると共に、隣り合う光導波路１１，１１間で電気的なクロストークが生じ難く、かつ、隣の光導波路１１との結合等の光学的なクロストークが生じ難く、光が独立して伝播するように十分な広さであることが好ましい。

ここで、多くのＥＯ材料、具体的にはＥＯポリマー全般やＬＮ，ＬＴ，ＰＬＺＴ等においては、式（３）に示す屈折率の変化は電界Ｅに沿った方向にのみ生じる。本実施形態では、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、位相調整部１ｔにおいて第２電極５と第１電極４が光導波路１１の上下に配置されているので、電圧印加による光導波路１１の屈折率変化は上下方向すなわちｙ方向に生じる。そこで、光導波路１１に入射する光がｙ方向に主たる電界ベクトルを有するように、前記したように、光偏向装置１０は、光源と光入力部１ｉの間に偏波保持ファイバや偏光フィルタのような光学素子を設置して、入力光Ｌｉ_totの偏光が特定方向に揃えられることが好ましい。また、第１電極４と第２電極５が光導波路１１を挟んでｘ方向に配置されている場合には、電圧印加による屈折率変化はｘ方向に生じるため、入力光Ｌｉ_totがｘ方向に主たる電界ベクトルを有するように、前記光学素子を設置することが好ましい。

なお、拡散光導波路１２は、屈折率が変化する光学材料である必要はないが、光導波路１１と同一の光学特性（電界無印加時の屈折率等）とし、また、光偏向装置１０の製造が簡易になるので、光導波路１１と同じＥＯ材料で形成されることが好ましい。また、拡散光導波路１２は、先端面から光が入射し難いように設計され、あるいは、先端面に光を吸収する遮光膜等を設けてもよい。

光導波路１１，１２は、基板６上（ｘｚ面）に一定の太さ（幅および厚さ）の線状に形成される。光導波路１１，１２は、本実施形態においては、図３Ａに光導波路１１で示すように、断面が略正方形であるが、幅または厚さの方が大きい長方形や台形等でもよく、特に規定されない。光導波路１１，１２は、光を伝播させるために、径（幅、厚さ）を（λ／２ｎ_MIN）以上とすることが好ましい。なお、ｎ_MINは、光導波路１１の最小屈折率であり、位相調整部１ｔにおいて電界を印加されて位相の変化量φが最大となるときの屈折率である。また、光導波路１１，１２は、少なくとも出力準備部１ｏおよび間隔変換部１ｓにおいて、断面の寸法（幅、厚さ）の誤差が５％以内であることが好ましい。

出力準備部１ｏは、光導波路１１，１２のそれぞれにおいて、末端面から光を出射する放射チャネルである。さらに出力準備部１ｏは、光導波路１１を伝播する光を、後記するように結合により拡散光導波路１２に移行させるための領域であり、ｚ方向に沿った直線状に形成される。光導波路１１，１２の出力準備部１ｏにおけるピッチｄは、隣り合う光導波路１１や拡散光導波路１２を伝播する光の結合が生じるように、光導波路１１，１１間等の間隙が十分に狭くなるように設定されることが好ましい。さらに、下式（１）に示すように、入力光Ｌｉ_totの波長λに対するピッチｄの比が小さいほど、ビームＬｏ_synの偏向角θの範囲を広く設定することができる。一方で、下式（２）に示すように、ピッチｄが大きいほど、ビームＬｏ_synの幅（拡がり角）ψを狭くすることができる。また、出力準備部１ｏの長さ（ｚ方向長）ｌ_zは、後記するように、光導波路１１を伝播する光が、光導波路１１（主光導波路束１１０）から最も離れた拡散光導波路１２まで移行し、かつこの拡散光導波路１２において位相が揃って伝播するように十分に長いことが好ましい。具体的には、出力準備部１ｏの長さｌ_zは、光導波路１１，１２の完全移行距離ｌ_cの１／１０以上が好ましい。完全移行距離ｌ_cとは、１本ずつピッチｄで並設した光導波路１１と拡散光導波路１２において、光を光導波路１１に入力して、光導波路１１，１２を伝播する光が同位相、同振幅になるまでの距離であり、シミュレーション等で求めることができる。ただし、出力準備部１ｏが過剰に長いと、光が吸収等によって減衰し、入力光Ｌｉ_totに対してビームＬｏ_synの輝度が低くなり、また、光偏向装置１０が大型化する。

間隔変換部１ｓは、光導波路１１の位相調整部１ｔにおける広いピッチを出力準備部１ｏのピッチｄに整合させるピッチコンバータであり、光導波路１１，１２共に、光の伝播方向に向けて間隙が漸減するように形成されている。また、間隔変換部１ｓにおいて、隣り合う光導波路１１または拡散光導波路１２の間隙が光結合可能に狭くなった出力準備部１ｏ側の部分は、出力準備部１ｏと同様に、光導波路１１を伝播する光を拡散光導波路１２に移行させる領域となる。なお、拡散光導波路１２の間隔変換部１ｓは、光導波路１１の間隔変換部１ｓと同じ長さでなくてよい。ただし、拡散光導波路１２の間隔変換部１ｓは、少なくとも先端において、隣の拡散光導波路１２または光導波路１１との結合等の光学的なクロストークが生じ難く、光が独立して伝播するような十分に広い間隙に形成されるように設けることが好ましい。光導波路１１，１２は、出力準備部１ｏ等で主に直線状に形成され、出力準備部１ｏと間隔変換部１ｓの間等に必要に応じて屈曲部や曲線部を有するが、伝播する光の損失（屈曲損）を抑制するように、屈曲角度（屈曲なしを０°とする）や曲率が十分に小さいことが好ましい。

光導波路１１は、出力準備部１ｏおよび間隔変換部１ｓ以外の、すなわち位相調整部１ｔ等のｘｚ面内における向き（光導波路方向）は特に規定されない。また、光入力部１ｉは外部から入力光Ｌｉ_totを入力することができるように、分配器１ｄは光入力部１ｉと光導波路１１の位相調整部１ｔの先端側とに接続するように、それぞれ配置されていればよい。

（クラッド層）
クラッド層３は、光導波路１１，１２等のコア層１を被覆して設けられ、適宜、コア層１の下側を下部（アンダー）クラッド、コア層１と同じ高さ位置およびコア層１の上側を上部（オーバー）クラッドと称する。クラッド層３は、入力光Ｌｉ_totの波長λの光においてコア層１よりも屈折率の低い誘電体や絶縁体からなり、さらにコア層１との屈折率の差が大きいことがコア層１の光閉込め効果を高くするので好ましい。したがって、クラッド層３は、コア層１を構成するＥＯ材料の屈折率、さらにその形成方法等に応じて選択される。具体的には、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｓｉ窒化物（Ｓｉ₃Ｎ₄等）、ＭｇＦ₂のような半導体素子の絶縁体に適用される無機化合物、ガラス、樹脂、ならびに前記の光導波路１１（コア層１）に挙げた材料から選択される。例えば、コア層１がＥＯポリマーからなり、クラッド層３を樹脂で形成する場合には、先に形成したコア層１または当該クラッド層３が溶解しないように、光硬化型樹脂のような無溶剤の樹脂、水溶性の樹脂、または架橋性ポリマーのような硬化後に有機溶剤に不溶となる樹脂を選択する。また、クラッド層３は、光偏向装置１０の全体で同一材料でなくてもよく、下部クラッドと上部クラッド、さらに上部クラッドにおけるコア層１の高さ位置と上側とで異なる材料を適用することができ、また、空隙（空気、不活性ガス、真空等）を含んでいてもよい。

（電極）
第１電極４および第２電極５は、光導波路１１毎にその屈折率を変化させる位相調整手段である。本実施形態において、第１電極４および第２電極５は対となって、光導波路１１毎にその位相調整部１ｔでｙ方向（上向きまたは下向き）に所望の強さの電界を印加するために設けられる。光偏向装置１０においては、光導波路１１の下側に第１電極４が、上側に第２電極５が、それぞれクラッド層３を挟んで設けられる。第１電極４は、光導波路１１毎に分離しかつ光導波路１１の幅以上の幅の帯状に形成され、位相調整部１ｔにおける光導波路方向に沿って設けられる。一方、第２電極５は、すべての光導波路１１の位相調整部１ｔを内包する１つの膜状に形成される。したがって、第２電極５はすべての光導波路１１の共通の電位（例えば０Ｖ）であり、これに対して第１電極４は、それぞれ個別の可変電源の電位に接続される。また、平面視で、光導波路１１の、第１電極４と第２電極５が共に重複する領域が位相調整部１ｔであり、その長さ（ここではｚ方向長）がｌ_tになるように第１電極４および第２電極５が設計される。光偏向装置１０においては、図３Ｂに示すように、第２電極５の光導波路方向（ｚ方向）長がｌ_tであり、第１電極４は、第２電極５に対して光導波路方向に長く形成されている。第１電極４はさらに、外部電源（可変電源）との接続のために、図１に示すように、平面視で、位相調整部１ｔの外側で直角に屈曲させて基板６のｘ方向の端まで延設したＬ字型に形成されている。第１電極４および第２電極５は、後記するそれぞれの材料の抵抗や印加する電界の強さ等に応じた寸法および間隔に形成される。

第１電極４および第２電極５は、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｐｔ，Ｒｕ等の金属やその合金のような一般的な金属電極材料、また、インジウム亜鉛酸化物（Indium Zinc Oxide：ＩＺＯ）、インジウム－スズ酸化物（Indium Tin Oxide：ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ₂）、酸化アンチモン－酸化スズ系（ＡＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）等の導電性酸化物、あるいはＳｉ等の半導体で形成することができ、これらの材料の２種類以上を積層してもよい。これらの材料は、スパッタリング法、真空蒸着法、塗布法等の、当該材料に応じた公知の方法によって成膜される。さらに、第１電極４は、フォトリソグラフィ、およびエッチングやリフトオフ法等によって、所定の形状に加工される。一方、後記の光偏向装置の製造方法にて説明するように、コア層１やクラッド層３を形成した後に形成される第２電極５は、成膜や加工の条件（温度等）が、コア層１等の特性を損なわないような材料を選択する。

（基板）
基板６は、光導波路１１，１２等のコア層１、クラッド層３、および電極４，５等を形成するための、また、光偏向装置１０全体を支持するための土台である。そのために、基板６は、公知の基板材料、具体的には、表面に熱酸化膜を形成されたＳｉ（シリコン）基板、ＳｉＯ₂、Ｓｉ窒化物（Ｓｉ₃Ｎ₄等）、ガラス、コア層１やクラッド層３に挙げた結晶材料、メチルアクリレート等の樹脂から、前記コア層１等の成膜、加工条件に適応したものが選択される。基板６の形状、すなわち光偏向装置１０の平面視形状は、ｚ方向に長い長方形に規定されず、光導波路１１，１２の本数やコア層１の平面視形状および配置に対応して、これら全体を支持する形状に設計される。

（光偏向装置の製造方法）
本実施形態に係る光偏向装置１０は、コア層１およびクラッド層３の材料に応じて、公知の方法で製造することができる。一例として、コア層１にＥＯポリマーを適用し、また、ナノインプリント法で成形する場合を説明する。まず、基板６上に、第１電極４が設けられる領域を空けたパターンのレジストマスクをフォトリソグラフィで形成し、その上からスパッタリング法等で金属電極材料を成膜して第１電極４を形成し、レジストマスクを除去する（リフトオフ）。この第１電極４を形成した基板６の上に、クラッド層３を構成する光硬化性樹脂をスピンコート法等で塗布する。光硬化性樹脂の塗膜に、拡散光導波路１２も含めたコア層１の形状に突出した石英製のモールドを押圧し、紫外線等の所定の波長の光をモールド越しに照射して硬化させた後、モールドを離型する。これにより、コア層１の形状の溝（トレンチ）が形成されたクラッド層３（下部クラッドおよび上部クラッドの一部）となる。次に、ＥＯポリマーを塗布して、このクラッド層３の溝に充填して硬化させ、コア層１を形成する。さらにその上に、光硬化性樹脂を所定の厚さに塗布して硬化させて、クラッド層３（上部クラッドの残部）を形成する。クラッド層３の上に、第２電極５が設けられる領域を空けたステンレス板やポリイミドフィルム等からなるマスクを被覆し、その上から導電性材料を含有する塗料を塗布して硬化させて第２電極５を形成した後、マスクを外す。第２電極５を構成する導電性材料は、クラッド層３およびコア層１の耐熱温度以下の処理で形成することのできるものであり、例えば、Ａｇや導電性酸化物の微粒子を有機溶剤に分散させた塗料で形成される。

このように、有機溶剤を塗料に使用せずかつ有機溶剤に不溶な樹脂をクラッド層３に適用することにより、コア層１を形成する際に溶解せず、かつ形成したコア層１を溶解させない。また、クラッド層３の下部クラッド等をナノインプリント法で成形することにより、モールドを作製しておけば、コア層１を少ない工程で容易に形成することができる。モールドは、電子線リソグラフィ等で加工して作製することができる。

架橋性ポリマーをホストとするＥＯポリマーを適用する場合には、さらに以下のポーリング（電場配向）処理を行ってＥＯポリマーのＥＯ効果を発現させる。そのために、クラッド層３には、耐有機溶媒性の他に、ポーリング処理の加熱温度に対する耐熱性を有する、架橋性ポリマーや光硬化性樹脂を適用する。ポーリング処理は、コア層１を構成するＥＯポリマーのホストポリマーのガラス転移温度近傍に加熱して、この温度でコア層１に電界を印加することにより、ＥＯポリマーの側鎖のＥＯ色素分子の極性を揃え、印加した状態で室温に冷却する。ポーリング処理は、少なくとも光導波路１１の位相調整部１ｔに施されればよいので、電界の印加には電極４，５を使用することができ、また、例えば２枚の板状の電極（図示せず）を使用して光偏向装置１０の両面全体を挟んでもよい。

光偏向装置１０は、クラッド層３を、硬化後に有機溶剤に不溶となる樹脂や、ＳｉＯ₂等の無機材料で形成する場合には、コア層１の形状の溝（トレンチ）をフォトリソグラフィとエッチングにより形成することができる。この場合、下部クラッドにＳｉＯ₂よりもさらに低屈折率のＭｇＦ₂を適用してもよく、その上に成膜される、コア層１の高さ位置部分を構成するＳｉＯ₂膜のエッチングストッパ膜とすることができる。そのために、平坦に形成した第１電極４とＳｉＯ₂膜の上に、ＭｇＦ₂、ＳｉＯ₂を順次成膜して積層する。エッチングストッパ膜を設けることで、コア層１の厚さ（クラッド層３の溝の深さ）を制御し易い。また、コア層１に半導体材料等の無機材料や、前記の架橋性ポリマーをホストとするＥＯポリマーを適用して、平坦な下部クラッド上にコア層１を構成する材料を成膜して、これを加工してコア層１に成形してもよい。

第１電極４を、コア層１やクラッド層３が溶解、変形、変質等しないように形成することができる場合、コア層１およびクラッド層３を形成した後に形成してもよい。すなわち、第２電極５を基板６の表面に形成し、その結果、第１電極４と第２電極５の上下の配置が入れ替わる。また、第２電極５は、ｘｚ面全体に形成されてもよく、この場合には、第１電極４は、光導波路方向長をｌ_tとして、その上（クラッド層３に接触する面の反対側）に絶縁膜を介して外部電源との接続端子を形成する（図示せず）。さらに、基板６に金属板等の導電性材料を適用して、第２電極５は基板６と一体とすることもできる。

あるいは、光偏向装置１０は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）製造用のＳｉ基板（ＳＯＩ基板）を利用して製造することができる。ＳＯＩ基板は、ＭＯＳＦＥＴとなる表層のＳｉの下に、埋込み酸化膜（ＳｉＯ₂膜）であるＢＯＸ（Buried Oxide）層が形成されていて、それぞれコア層１と下部クラッドとすることができる。また、ＢＯＸ層の下のＳｉは、基板６であると共に、ｘｚ面全体に形成された第２電極５とすることができる。したがって、成形したコア層１の上に無機絶縁材料を成膜して上部クラッドとして、その上に光導波路方向長がｌ_tの第１電極４を形成する。あるいは、ＳＯＩ基板の表層のＳｉを、コア層１に加えて、位相調整部１ｔにおいてコア層１の両側を挟む第１電極４と第２電極５に成形してもよい。

（光偏向装置の動作）
光偏向装置によるビームの出力について、図４を参照して説明する。図４では、簡潔に説明するために、光導波路１１の末端（出射口）近傍を拡大して示す。

Ｎ_r本の光導波路１１のそれぞれにおいては、光Ｌｏ₀，Ｌｏ₁，Ｌｏ₂，Ｌｏ₃，…，Ｌｏ_Nr-1（図中、波形で表す）が、当該光導波路１１の光導波路方向に伝播して末端から出射する。これらの光Ｌｏ₀，Ｌｏ₁，Ｌｏ₂，…（以下、区別しない場合は、光Ｌｏと表す）は、位相調整部１ｔで、一定ずつの位相差δ（＝φ_k+1－φ_k）を設けて位相をずらされている。位相は２π周期であるから、例えば、δ＝２π／５の場合には、φ＝π／５，３π／５，π，７π／５，９π／５，π／５，…を順に繰り返す。光Ｌｏは、それぞれ球面波となって出射し、出射口（光導波路１１の末端面）における伝播方向すなわち光導波路方向（ｚ方向）を軸に、偏向角θの方向へ出力する１本のビームＬｏ_synに合成される。電極４，５から電圧を印加して、位相調整部１ｔを伝播する光の位相の変化量φを調整して（式（３）、式（４）参照）所望の位相差δを設けることにより、下式（１）に示すように偏向角θを制御することができる。

ここで、光導波路１１を＋ｚ方向に伝播する光は、一部が低屈折率のクラッド層３に漏れて、近接した両隣りの光導波路１１や拡散光導波路１２に進入するため、ｘ方向に光電界分布を形成する。Ｎ_r本の光導波路１１にそれぞれ光Ｌｉ₀，Ｌｉ₁，Ｌｉ₂，…，Ｌｉ_Nr-1が入力されたときに光導波路１１からの出射光がｘ方向に形成する電界振幅分布Ｅ{Ｎ_r，Ｎ_r}(θ)は、１本の光導波路１１が形成する光電界分布がｇ(θ)であり、Ｎ_r本すべての光導波路１１のｇ(θ)が共通であるとすると、下式（５）で与えられることが知られている（例えば、非特許文献１）。なお、式中、ａ_m(ｌ_z)は、（ｍ＋１）番目の光導波路１１の出力準備部１ｏにおける入射端から出射端までの、伝播距離ｌ_zにおける光振幅であり、ｍδは１番目の光導波路１１の入力光Ｌｉ₀に対する（ｍ＋１）番目の光導波路１１の入力光Ｌｉ_mの位相である。また、ｕ(θ)は下式（６）で与えられる。

一方、１番目の光導波路１１に振幅１の光が入力されたとき、（ｍ＋１）番目の光導波路１１の伝播距離ｌにおける振幅ａ_m0(ｌ)は、下式（７）で与えられることが知られている（例えば、非特許文献１）。ここで、Ｊ_mはｍ次の第１種ベッセル関数であり、κは光導波路１１の結合係数である。式（７）より、（ｎ＋１）番目の光導波路１１に振幅１の光が入力されたときの（ｍ＋１）番目の光導波路１１の伝播距離ｌにおける振幅ａ_mn(ｌ)は、下式（８）のように計算することができる。

式（８）は、光を入力されていない拡散光導波路１２にも、光導波路１１との結合によって光振幅が発生することを示す。すなわち、合計Ｎ本の光導波路１１，１２のうちの例えば１本にのみ光が入力されても、結合による光振幅が十分に大きければ、光導波路１１，１２の合計本数Ｎに対応したパターンのビームが出力される。

図５を参照して、光導波路１１のそれぞれに同位相（δ＝０）の光Ｌｉ₀，Ｌｉ₁，Ｌｉ₂，…，Ｌｉ_Nr-1（以下、区別しない場合は、光Ｌｉと表す）を入力した場合で説明する。図５および後記の図６においては、光偏向装置１０を光導波路１１，１２のみで表す。光Ｌｉが、光導波路１１に位相調整部１ｔから入力されると、間隔変換部１ｓ、または出力準備部１ｏにおいて隣り合う光導波路１１または拡散光導波路１２の間隙が光結合可能に狭くなった地点から、主光導波路束１１０（図２参照）に近い側から順に拡散光導波路１２で光が伝播し始める。さらに、出力側（＋ｚ方向）に進行するにしたがい、拡散光導波路１２を伝播する光は、振幅が大きくなると共に位相が光Ｌｉに近付き、一方、光導波路１１を伝播する光Ｌｉは振幅が小さくなる（非特許文献２の図８、非特許文献４の図１３－１７参照）。そして、最終的には、すべての光導波路１１，１２で同じ振幅かつ同位相の光Ｌｏが伝播する。その結果、入力光Ｌｉ_totを分配器１ｄから直接に入力されない２Ｎ_d本の拡散光導波路１２を含めた光導波路１１，１２のすべてから同位相の光Ｌｏが出力し、これらの光によってビームＬｏ_synが生成される。このビームＬｏ_synは、幅（拡がり角）ψが、下式（２）で表されるように、光導波路１１，１２の合計本数Ｎ（＝Ｎ_r＋２Ｎ_d）に依拠した狭いものとなる。

また、Ｎ_r本の光導波路１１のそれぞれに振幅１の光を入力された光偏向装置１０が形成する電界振幅分布Ｅ{Ｎ_r，Ｎ}(θ)を見積もる。式（５）に式（８）を代入すると、（ｎ＋１）番目の光導波路１１に光が入力されたときに得られる電界振幅分布Ｅ{(ｎ)，Ｎ}(θ)として下式（９）が得られる。

さらに、１番目の光導波路１１に対する（ｎ＋１）番目の光導波路１１の入力光の位相差をｎδとして、すべての光導波路１１に光を入力すると、その電界振幅分布Ｅ{Ｎ_r，Ｎ}(θ)は、式（９）の重ね合わせである下式（１０）で与えられる。

ここで、三角関数と指数関数との関係を表すオイラーの公式（下式（１１））と、整数次のベッセル関数の性質（下式（１２））を考慮すると、式（１０）は下式（１３）で表される。なお、オイラーの公式が適用できない項をｅｒｒ(θ)で表す。また、式（１３）は、ｎが（(Ｎ－１)／２）以下の場合であり、それよりも大きい場合には、ｎを（Ｎ－１－ｎ）に置き換える。

式（１３）において、伝播距離ｌが十分に短い場合には高次のベッセル関数の影響を無視することができるので、ｎを小さな数で打ち切ることができる。そこで、ｎをＮ_dで打ち切ると、式（１３）で表される。また、式（１３）のベッセル関数を含む項はｎに無関係な関数Ｆ(θ)と表せるので、簡略されて下式（１４）で表される。

式（１４）によれば、本実施形態に係る光偏向装置１０の構成で得られる電界振幅分布は、結合によってＦ(θ)の空間的な振動が重畳された分布となり、ビームの方向（偏向角θ）やビーム幅には大きな影響を与えないことがわかる。この結果は、結合によるビームの遠視野像（ＦＦＰ：Far-Field Pattern）が結合のない場合よりも包絡線に空間的な強弱の振動成分が乗った分布となり、ビームの方向や幅には大きな影響を与えないとする研究報告（非特許文献２）と定性的に一致する。したがって、図６に示すように、主光導波路束１１０のＮ_r本の光導波路１１のそれぞれに位相差δ（＝２π／５）を有した光Ｌｉ₀，Ｌｉ₁，Ｌｉ₂，…，Ｌｉ_Nr-1を入力した場合には、拡散光導波路１２を伝播する光は、隣の光導波路１１または拡散光導波路１２を伝播する光に対して同じ位相差δを有する光Ｌｏとなって出力する。

このように、光導波路１１に入力した光Ｌｉが、すべての拡散光導波路１２に移行し、さらに光Ｌｉと同じ位相差δの光Ｌｏとして、好ましくは同じ振幅で出力するように、光偏向装置１０が設計される。具体的には、まず、光導波路１１と拡散光導波路１２を１本ずつピッチｄで並設したモデルでの完全移行距離（光導波路１１，１２を伝播する光が同位相、同振幅になるまでの距離）ｌ_cを、シミュレーション等で求める。そして、出力準備部１ｏの長さｌ_zとの比の２倍（２ｌ_z／ｌ_c）をパラメータとして、ｎ次のベッセル関数の値が例えば０．０１を超える最大のｎを、１組の副光導波路束１２０の拡散光導波路１２の本数Ｎ_dに設計することができる。ただし、光導波路１１の本数Ｎ_rに比して拡散光導波路１２の本数Ｎ_dが大きいと、１本の光導波路１１に入力する光Ｌｉの光量に対して、光導波路１１，１２のそれぞれから出力する光Ｌｏの光量が大きく減少し、ビームＬｏ_synの輝度が低下する。具体的には、副光導波路束１２０は、拡散光導波路１２の本数Ｎ_dが、隣に配置された主光導波路束１１０の光導波路１１の本数Ｎ_r以下であることが好ましい。

なお、本実施形態に係る光偏向装置１０において、２組の副光導波路束１２０は、拡散光導波路１２の本数が同数に限られず、さらには片側が０本、すなわち一方の外側にのみ副光導波路束１２０を備えた構造であってもよい。このような構成であっても、ビームＬｏ_synの幅ψを光導波路１１，１２の合計本数Ｎに依拠して狭くすることができる。ただし、このようなｘ方向に非対称な構造においては、電界振幅分布が偏り、副光導波路束１２０を配置した側にだけ周波数制限を受けることにより、空間的に非対称なノイズが発生し易い。その結果、ビームＬｏ_synが明瞭さを損なう。

以上のように、本発明の第１実施形態に係る光偏向装置によれば、一部の光導波路に他の光導波路から移行した光を伝播させることにより、前記一部の光導波路への電界の印加や加熱を不要として電力消費量の増大を抑制しつつ、多数本の光導波路を備えて拡がり角の狭いビームを出力することができる。

〔第２実施形態〕
第１実施形態に係る光偏向装置は、両外側に副光導波路束を配置して、中央に配置された光導波路を主光導波路束として光を入力する構成としているので、光導波路の合計本数を多くするために副光導波路束の拡散光導波路の本数を増やそうとすると、出力準備部を長く設計する必要があって光偏向装置が大型化する。また、１組の副光導波路束の拡散光導波路の本数に限界がある。したがって、光導波路の合計本数をある程度を超えて多くするためには、その分、主光導波路束の光導波路を多数備える必要があり、電力消費量が増大することになる。そこで、並設された光導波路における最外側以外にも副光導波路束を配置する。以下、第２実施形態に係る光偏向装置について説明する。第１実施形態と同じ要素については同じ符号を付し、説明を省略する。

本発明の第２実施形態に係る光偏向装置１０Ａは、図７に示すように、２組の主光導波路束１１０，１１０の間に副光導波路束１２０が配置された構成である。光偏向装置１０Ａは、主光導波路束１１０（光導波路１１）および副光導波路束１２０（拡散光導波路１２）の配置以外は、第１実施形態に係る光偏向装置１０と同様の構造であり、コア層１、クラッド層３、電極４，５、および基板６を備える（図１、図３Ａおよび図３Ｂ参照）。なお、図７においては、光導波路１１，１２のみを示し、さらに光偏向装置１０Ａの１組の副光導波路束１２０とその両外側の主光導波路束１１０，１１０のみを示すが、最外側に副光導波路束１２０を配置することが、光効率上、好ましい。したがって、光偏向装置１０Ａは、例えば、ｘ方向に順に、副光導波路束１２０、主光導波路束１１０、副光導波路束１２０、主光導波路束１１０、副光導波路束１２０が配置された構成とする。また、光偏向装置１０Ａは、第１実施形態に係る光偏向装置１０と同様にｘ方向に対称な構造が好ましい。したがって、２組の主光導波路束１１０の光導波路１１の本数Ｎ_r、最外側の２組の副光導波路束１２０の拡散光導波路１２の本数Ｎ_d1は、それぞれ同数であることが好ましい。一方、最外側の副光導波路束１２０と中央の副光導波路束１２０とで、拡散光導波路１２の本数Ｎ_d1，Ｎ_d2が異なっていてもよい。

本実施形態において、主光導波路束１１０、副光導波路束１２０、および光導波路１１，１２の各構成は、第１実施形態で説明した通りである。ただし、特に最外側以外に配置された副光導波路束１２０の１組における拡散光導波路１２の本数Ｎ_d2が過剰に多いと、この副光導波路束１２０から出力した光にノイズが集光され、偏向角を変えることのできない強い固定パターンが発生して、１本のビームＬｏ_synとならない。したがって、この副光導波路束１２０の拡散光導波路１２の本数Ｎ_d2を適正に設計することが好ましい。具体的には、第１実施形態で説明したように、完全移行距離ｌ_cと出力準備部１ｏの長さｌ_zの比の２倍（２ｌ_z／ｌ_c）をパラメータとしたｎ次のベッセル関数における最大のｎを、拡散光導波路１２の本数Ｎ_d2の半数（Ｎ_d2／２）に設計することができる。

本実施形態に係る光偏向装置１０Ａの、光導波路１１，１２における光の伝播は、図４～図６を参照して説明した第１実施形態と同様である。ただし、本実施形態においては、主光導波路束１１０，１１０に挟まれた副光導波路束１２０の拡散光導波路１２に、その両外側に配置された光導波路１１から光Ｌｉが移行する。したがって、副光導波路束１２０において均等な位相差δの光Ｌｏとなるように、Ｎ_d2（図７では、Ｎ_d2＝６）本の拡散光導波路１２からなる副光導波路束１２０の両側でそれぞれ隣り合うＮ_r番目の光導波路１１に入力する光Ｌｉ_Nr-1と（Ｎ_r＋１）番目の光導波路１１に入力する光Ｌｉ_Nrとの位相差を（(Ｎ_d2＋１)δ）に設定する。言い換えると、光導波路１１，１２のすべてについての並び順でｋ番目（１≦ｋ≦Ｎ）の光導波路１１の位相をｋδと設定する。

以上のように、本発明の第２実施形態に係る光偏向装置によれば、第１実施形態と同様に多数本の光導波路を備えて、その一部への電界の印加や加熱を不要として電力消費量の増大を抑制しつつ、拡がり角の狭いビームを出力することができる。

本発明の効果を確認するために、本発明の第１実施形態に係る光偏向装置を模擬したサンプルでシミュレーションを実行し、光導波路の出力準備部における光振幅・位相分布を基に計算して、出力されるビームのパターンを求めた。図８Ａに示すように、図１および図２に示す光偏向装置と同様に、８本の光導波路からなる主光導波路束の両外側に４本の光導波路（拡散光導波路）からなる副光導波路束をそれぞれ備える構造のサンプルを使用した。また、比較例として、図８Ｂに示すように、実施例から拡散光導波路を除いた、８本の光導波路を備える光偏向装置のサンプルを使用した。

入力光の波長をλ＝１．５５μｍに設定し、サンプルの構造を以下の通りとした。コア層は、屈折率ｎ₀＝１．６６のＥＯポリマーとし、クラッド層は、上部クラッドを屈折率１．５８のポリマー、下部クラッドを屈折率１．４８のＳｉＯ₂とした。下部クラッドの厚さを３μｍとし、その上に、光導波路および拡散光導波路を幅２μｍ×厚さ２μｍで備え、上部クラッドの厚さを７μｍ（光導波路の上側で５μｍ）とした。光導波路および拡散光導波路の出力準備部は、ピッチ６μｍ（間隙４μｍ）とした。また、シミュレーションより、出力準備部の長さは１５ｍｍとした。光導波路の位相調整部は、強い電界による破壊を生じない程度の電圧印加による屈折率変化で、位相の変化量が２π超となるように、長さ１０ｍｍに設計し、また、電気的、光学的なクロストークのないようにピッチ１０μｍとした。また、光導波路の屈曲箇所における光損失を１％未満とするための屈曲角度が１°以下（シミュレーションによる）であることから、出力準備部と位相調整部の間の間隔変換部は、Ｚ軸（出力準備部における光導波路方向）に対する傾斜角が最大で１°以下になるように設計して、Ｚ方向長４ｍｍとした。分配器はＭＭＩ型カプラの光ビームスプリッタとし、入力光を８本の光導波路の位相調整部に等分配するようにシミュレーションにより設計して、幅１６０μｍ、長さ１１００ｍｍに最適化した。第１電極および第２電極は、それぞれ厚さ１００ｎｍのＡｕとして、光導波路の位相調整部のクラッド層を介在させた上下に設けた。

シミュレーションは、ビーム伝搬法を用いたシミュレータ（Optiwave社製Optiwave）で解析して、光強度分布を得た。また、得られた光強度分布を用いて、シフト角スペクトル法によりビームパターン（ＦＦＰ）を計算した（K. Matsushima, "Shifted angular spectrum method for off-axis numerical propagation", Optics Express, Vol.18, No.17, pp.18453-18463, Aug 2010）。また、位相差をδ＝０（偏向角０°）に設定した。サンプルの光強度分布を図９Ａ（実施例）および図９Ｂ（比較例）に、ビームのパターン像における光強度分布を図１０Ａ（実施例）および図１０Ｂ（比較例）に、それぞれ示す。

実施例においては、図９Ａに示すように、間隔変換部の出力準備部との境界の約１μｍ手前から、直接に光を入力されていない拡散光導波路に光が移行して伝播し始めたことが確認された。さらに出力準備部を伝播するにしたがい外側の拡散光導波路へ順番に光が移行し、出力準備部における約５μｍの地点で最外側の拡散光導波路で光が伝播し始めたことが確認された。その結果、拡散光導波路を含めた１６本すべての光導波路から光が出射し、Ｘ方向中心（１６本の光導波路の中心）からＺ方向（光導波路方向）に１本のビームを出力した。図１０Ａに示すビームのパターン像からビームのメインローブにおける幅を測定したところ、３．０°であった。これは、８本の光導波路を備えてそのすべてに直接に光を入力した比較例のビーム幅３．９°（図１０Ｂ参照）よりも狭く、本発明の効果が確認された。

ここで、比較例においては、図９Ｂに示すように、８本の光導波路に同等の強度で入力した光が、出力準備部で互いに移行した結果、出力準備部における約８μｍ進行以降で互いの強度が偏り始めた。その結果、末端の出射時において、Ｘ方向中心に配置された２本の光導波路においては、入力時との強度の変化は殆ど見られなかったが、その隣のＸ方向中心から２本目の光導波路においては、入力時よりも強度が高くなった。そして、この光導波路から遠ざかるにしたがい強度が低くなり、最外側である４本目の光導波路から出力した光が最も低強度となった。図９Ａに示すように、実施例においても同様の傾向が見られた。拡散光導波路においては、光の伝播が進行するにしたがい強度が増加したため、末端寄りで移行した最外側の拡散光導波路から出力した光が最も低強度となった。一方で、８本の光導波路における最外側である４本目の光導波路では、伝播する光が比較例ほど強度が低下しなかった。これは、隣の拡散光導波路と互いに光が移行したことによると推測される。

なお、式（２）より、実施例のサンプル（Ｎ＝１６）から出力するビームは、幅ψが１．２０°となり、比較例のサンプル（Ｎ＝８）から出力するビームは、幅ψが２．５８°となる。実施例および比較例のサンプルのシミュレーションにおいては、前記したように、拡散光導波路を含めた光導波路同士で出力する光の強度が不均一であったため、ビーム幅が広がったと推測される。したがって、光導波路および拡散光導波路の各本数、ならびに出力準備部の長さをそれぞれ適切な値に設計することにより、光導波路同士で出力する光の強度のばらつきを低減して、ビーム幅を狭くして式（２）のψに近付けることができる。

以上、本発明の光偏向装置を実施するための実施形態について述べてきたが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。

１０，１０Ａ光偏向装置
１１０主光導波路束
１１光導波路
１２０副光導波路束
１２拡散光導波路（光導波路）
１ｏ出力準備部
１ｓ間隔変換部
１ｔ位相調整部
３クラッド層（透光性部材）
４第１電極（位相調整手段）
５第２電極（位相調整手段）
６基板

Claims

複数本の光導波路が透光性部材を介在して並設されて、前記光導波路の一端から出射した光をビームとして出力する光偏向装置であって、
前記複数本の光導波路は、前記一端まで互いに平行に並設された出力準備部を有し、
前記光導波路は、隣り合う２本以上で主光導波路束を１以上構成し、かつ、前記主光導波路束に含まれない１本または隣り合う２本以上で副光導波路束を構成し、
前記主光導波路束の光導波路毎に、当該光導波路を伝播する光の位相を調整する位相調整手段を備え、前記主光導波路束の光導波路の他端から光を入力されることを特徴とする光偏向装置。
前記主光導波路束の光導波路は、前記出力準備部よりも前記他端側の領域において、前記位相調整手段によって光の位相を調整されることを特徴とする請求項１に記載の光偏向装置。
前記光導波路は、前記出力準備部から前記他端側へ向かって互いの間隔が漸増するように配置された間隔調整部を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光偏向装置。
同数本の前記光導波路からなる２つの前記副光導波路束が、前記主光導波路束の両外側に配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の光偏向装置。
前記副光導波路束は、隣に配置された前記主光導波路束の光導波路の本数以下の光導波路で構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の光偏向装置。
前記主光導波路束の光導波路の前記他端に接続して、光を前記光導波路毎に分岐させる分配器を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の光偏向装置。