JP7685397B2 - 光ビーム収束・発散制御デバイス - Google Patents

Description

本発明は、光ビームパターンを制御するデバイスに係り、特に、光ビームを収束光にしたり発散光にしたりする光ビーム収束・発散制御デバイスに関する。

空間光通信や奥行センサ、レーダー、ＬｉＤＡＲ（Light Detection And Ranging）、３次元映像表示装置などへの応用に向け、光ビームパターンを制御するデバイスの研究開発が進められている。特に、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（Optical Phased Array；以下、ＯＰＡ）は、機械的な可動部なしに光ビームパターンを自在に制御できるため、小型・軽量で耐久性の高い光ビーム走査デバイスや可変焦点光制御デバイスなどへの応用が期待されている（例えば特許文献１、非特許文献１参照）。

図１７は、光導波路を用いた一般的なＯＰＡの構成を示す模式図である。ＯＰＡ１０１は、基板１０２上に、光入力部１０３と、光分離部１０４と、マルチチャネル光導波路１０５と、を備えている。ここでは、一例として、マルチチャネル光導波路１０５と光出力部１０７のチャネル数ｎを８としている。マルチチャネル光導波路１０５は、チャネルごとに個別の位相制御部１１０に接続されており、各光導波路１０６の先端は、光出力部１０７として用いられる。なお、図１７では、光導波路１０６として光導波路コアのみ図示しており、コア周囲のクラッド層の図示を省略している。

ＯＰＡ１０１の光分離部１０４には、入射光を８本の光導波路１０６からなるマルチチャネル光導波路１０５に光を分配するために、１ｘ２マルチモード干渉（Multi-Mode Interference；ＭＭＩ）光スプリッタ２０が７個配置されている。１ｘ２ ＭＭＩ光スプリッタ２０は、１つの入射光を２つの光導波路に分配する素子である。チャネル数ｎが例えば１６である場合、１６本のマルチチャネル光導波路に分配するには、１ｘ２ ＭＭＩ光スプリッタ２０を１５個接続して配置すればよい。また、１つの入射光を２より多いＮ本の光導波路に分配する光分配素子として、１ｘＮ ＭＭＩ光スプリッタやスターカプラなどを用いることも可能である。

ＯＰＡ１０１の位相制御部１１０には、外部からの電圧印加あるいはヒーター電極の通電に伴うジュール加熱などにより屈折率が変化する材料が使用される。このような材料には、例えば電気光学（ＥＯ）効果を有する材料（以下、ＥＯ材料と称す）や液晶（ＬＣ）材料、熱光学（ＴＯ）効果を有する材料（以下、ＴＯ材料と称す）などが従来利用されている。

ＯＰＡの基本動作は、入力光を光分離部１０４によりマルチチャネル光導波路１０５へ分配し、チャネルごとの光位相を位相制御部１１０により制御し、光出力部１０７より出射された複数の光の回折・干渉によって光ビームパターンを形成するものである（例えば非特許文献２参照）。ＯＰＡでは光導波路の出力端における光位相分布を適切に選ぶことにより、出力される光ビームのパターンを自在に制御することが可能である。特に収束・発散制御による焦点可変は情報取得や撮像・表示、工業用レーザーなどへの応用が期待できる。

米国特許第５０９３７４０号明細書

Paul F. McManamon, et al., "A Review of Phased Array Steering for Narrow-Band Electrooptical Systems", Proceedings of the IEEE, Vol.97, Issue: 6, June 2009, p.1078-1096 平野芳邦、外７名、「電気光学ポリマーを用いた４μｍピッチ光フェーズドアレイによる偏向動作」、映像情報メディア学会誌、2019年、Vol.73, No.2, pp.392-396

ＯＰＡでは、光導波路を通過する光の位相が位相制御部により電気的に制御される。したがって、図１７の構成のように１つの出力光導波路１０６に対して１つの位相制御部１１０が接続される従来の構成では、チャネル数の増加に伴って位相制御部１１０の個数が増加し、制御回路の大規模化や消費電力増大の原因となる。

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、消費電力を低減できる光ビーム収束・発散制御デバイス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、本発明に係る光ビーム収束・発散制御デバイスは、１つの光入力部と、光出力部のチャネル数と同数の光導波路が並列配置されたマルチチャネル光導波路と、前記光入力部から入力する光を前記光導波路に分配する光分離部と、印加電圧もしくは電流供給により光の位相を制御する位相制御部と、を備え、前記光分離部は、１入力３出力の少なくとも１つの光分配素子と、前記光分配素子の１出力から出力される光を２つの光導波路に分配する１つのスプリッタと、を備え、前記光分配素子の１出力と前記スプリッタとの接続部に位相制御部が配置されており、前記光出力部のチャネル数を偶数の所定値ｎとして、４以上ｎ以下の偶数を変数Ｎとしたとき、前記光分配素子は、Ｎ本分の光導波路の光強度を有する光を入力して３つに分岐して出力する素子であって、１ｘＮ ＭＭＩ光スプリッタと、（Ｎ－２）ｘ１ ＭＭＩ光コンバイナとを近接配置して構成されており、かつ、前記光分配素子の３出力のうちの一側の出力端、中央の出力端、他側の出力端の光強度比は、１：（Ｎ－２）：１であることとした。

本発明によれば、位相制御部の個数を光出力部のチャネル数の半分よりも少なくして従来よりも位相制御部の電極の総面積を削減できるので、消費電力を低減できる光ビーム収束・発散制御デバイスを提供することができる。

本発明の実施形態に係る光ビーム収束・発散制御デバイスの構成を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る光ビーム収束・発散制御デバイスの一部省略して光分離部を模式的に示す平面図である。 図２におけるＢの領域のＸＹ平面に平行な断面図である。 本発明の実施形態に係る光ビーム収束・発散制御デバイスの出力する光ビームの模式図であり、（ａ）は収束、（ｂ）は発散をそれぞれ示している。 図１で使用する１：６：１光分配素子を模式的に示す平面図である。 図５に示す光分配素子の構成要素に等価な光部品の模式図であって、（ａ）は１ｘ８ ＭＭＩ光スプリッタ、（ｂ）は６ｘ１ ＭＭＩ光コンバイナをそれぞれ示している。 図１で使用する光分配素子を模式的に示す平面図であって、（ａ）は１：４：１光分配素子、（ｂ）は１：２：１光分配素子をそれぞれ示している。 図２におけるＢの領域のＹＺ平面に平行な断面図であって、（ａ）は電極配置の一例、（ｂ）は電極配置の他の例をそれぞれ示している。 電極をコア側面に配置したＴＥモードの偏光を用いる場合の変形例の断面図である。 本発明の変形例を模式的に示す平面図であって、（ａ）は２段の光分配素子を持つ例、（ｂ）は１段の光分配素子を持つ例をそれぞれ示している。 本発明の実施形態に係る光ビーム収束・発散制御デバイスのシミュレーション結果を示す俯瞰図である。 本発明の実施形態に係る光ビーム収束・発散制御デバイスのシミュレーション結果（実験１）を示す図である。 本発明の実施形態に係る光ビーム収束・発散制御デバイスのシミュレーション結果（実験２）を示す図である。 本発明の実施形態に係る光ビーム収束・発散制御デバイスのシミュレーション結果（実験３）を示す図である。 本発明の実施形態に係る光ビーム収束・発散制御デバイスのシミュレーション結果（実験４）を示す図である。 本発明の実施形態に係る光ビーム収束・発散制御デバイスのシミュレーション結果（実験５）を示す図である。 従来の光フェーズドアレイの構成を示す模式図である。

［光ビーム収束・発散制御デバイスの構成］
まず、光ビーム収束・発散制御デバイスの構成について図面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。また、図１では、光導波路コアのみ図示しており、コア周囲のクラッド層の図示を省略している。

図１に示すように、光ビーム収束・発散制御デバイス１は、基板２上に、光導波路である１つの光入力部３と、光導波路の端部である光出力部７のチャネル数と同数の光導波路６が並列配置されたマルチチャネル光導波路５と、光入力部３から入力する光を光導波路６に分配する光分離部４と、位相制御部１０と、を備えている。位相制御部１０は、印加電圧もしくは電流供給により光の位相を制御する。すなわち、位相制御部１０は、光導波路６の入出力面と直交しかつ対向する面それぞれに電極を備え、電極間の電界により光の位相を制御する、もしくは光導波路6の入出力面と直交する面に電極を備え、電極への電流供給に伴って発生するジュール熱により光の位相を制御する。光分離部４は、１入力３出力の少なくとも１つの光分配素子３０と、１つのスプリッタ２０と、を備えている。スプリッタ２０は、光分配素子３０Ｃの１出力から出力される光を２つの光導波路６に分配する。光分配素子３０Ｃの１出力とスプリッタ２０との接続部に位相制御部１０Ｃが配置されている。

光出力部７のチャネル数と光分配素子３０の入力及び出力について一般化すると、光出力部７のチャネル数を偶数の所定値ｎとして、４以上ｎ以下の偶数を変数Ｎとしたとき、光分配素子３０は、Ｎ本分の光導波路６の光強度を有する光を入力して、（Ｎ－２）本分の光導波路６の光強度を有する光を1つと、１本分の光導波路６の光強度を有する光を２つの、合計３つに分岐して出力する素子であり、（Ｎ－２）本分の光導波路６の光強度を有する光が、位相制御部１０に出力されることが好ましい。
そして、光分配素子３０は、１ｘＮ ＭＭＩ光スプリッタと、（Ｎ－２）ｘ１ ＭＭＩ光コンバイナとを近接配置して構成されており、かつ、光分配素子３０の３出力のうちの一側の出力端、中央の出力端、他側の出力端の光強度比は、１：（Ｎ－２）：１であることが好ましい。

図１では、一例として図１７と対比させるため、マルチチャネル光導波路５のチャネル数ｎを８としている。この場合、前記変数Ｎは、８または６または４となる。
光分配素子３０Ａは、８本分の光導波路６の光強度を有する光を入力して３つに分岐して出力する素子であって、１ｘ８ ＭＭＩ光スプリッタと、６ｘ１ ＭＭＩ光コンバイナとを近接配置して構成されている。
光分配素子３０Ｂは、６本分の光導波路６の光強度を有する光を入力して３つに分岐して出力する素子であって、１ｘ６ ＭＭＩ光スプリッタと、４ｘ１ ＭＭＩ光コンバイナとを近接配置して構成されている。
光分配素子３０Ｃは、４本分の光導波路６の光強度を有する光を入力して３つに分岐して出力する素子であって、１ｘ４ ＭＭＩ光スプリッタと、２ｘ１ ＭＭＩ光コンバイナとを近接配置して構成されている。

また、Ｎの値が２つずつ異なる複数の光分配素子３０が、光入力側からＮの大きい順に縦列に配置され、Ｎの大きい側の光分配素子の中央の出力端と、Ｎの小さい側の光分配素子の入力との接続部に、位相制御部１０が配置されていることが好ましい。

光分配素子３０は、Ｎ（Ｎ＝４，６，８のいずれか）本分の光導波路６の光強度を有する光を入力して３つに分岐して出力する素子である。図１に示す例では、光分配素子３０Ａは８本分の光導波路６の光強度を有する光を入力して３つに分岐し、光分配素子３０Ｂは６本分の光導波路６の光強度を有する光を入力して３つに分岐し、光分配素子３０Ｃは４本分の光導波路６の光強度を有する光を入力して３つに分岐する。すなわち、光ビーム収束・発散制御デバイス１には、Ｎの値が２つずつ異なる複数の光分配素子３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃが、光入力側からＮの大きい順に縦列に配置されている。そして、Ｎの大きい側の光分配素子の中央の出力端と、Ｎの小さい側の光分配素子の入力との接続部に、位相制御部１０Ａ，１０Ｂがそれぞれ配置されている。ここでは、光分配素子３０Ａの中央の出力端と、光分配素子３０Ｂの入力との接続部に位相制御部１０Ａが配置されており、光分配素子３０Ｂの中央の出力端と、光分配素子３０Ｃの入力との接続部に位相制御部１０Ｂが配置されている。

［各部の構成例］
以下、各部の構成例について説明する。なお、光分配素子を区別しない場合、単に光分配素子３０と表記し、また、位相制御部を区別しない場合、単に位相制御部１０と表記する。

基板２は、様々な材料を用いて形成することができる。基板材料としては、シリコン基板のほか、ソーダガラスやパイレックス（登録商標）、溶解石英、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃））等を用いてもよい。基板２の一方の面には、光入力部３と、光分離部４と、複数の電極線８と、が形成されている。

光入力部３は、外部の光源から光を光分離部４へ入射する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。光ビーム収束・発散制御デバイス１には、さらに必要に応じて、光源と光入力部３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。

光出力部７は、光導波路６の端部であって、位相が制御された光を外部空間へ放射するものであり、光導波路の幅方向に並設されている。それぞれの光出力部７から放射された光は、それぞれの光位相の関係によって決まる干渉パターンを形成する。なお、光出力部７から出力する光ビームを上方に出射するために、光導波路に回折格子をさらに設けるようにしてもよい。さらに必要に応じて、光出力部７の外部かつ放射された光の照射範囲内に、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。

光導波路６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。位相制御部１０の光導波路を形成するコアの材料は、外部信号の印加により屈折率が変化する材料である。印加電圧によって屈折率が変化するＬＣ材料やＥＯ材料、あるいはヒーター電極の通電に伴うジュール加熱によって屈折率が変化するＴＯ材料が利用できる。位相制御部１０のコアの材料には、ＥＯ効果を有するＬｉＮｂＯ₃やＬｉＴａＯ₃などの無機物のほか、ＥＯ効果を有するポリマー材料、あるいはＥＯ効果を有する色素を混合したポリマー材料を用いることができる。位相制御部１０以外の光導波路コアの材料には、酸化チタンなどの無機物のほか、ＥＯ効果を有さない一般的なポリマー材料を用いることができる。クラッドをなす誘電体材料には、酸化シリコン、五酸化タンタル、五酸化ニオブなどの無機誘電体材料に加え、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）等の有機ポリマー材料やＳＵ－８等のエポキシ樹脂を適用できる。コア材料やクラッド材料は、光導波路の全体を通じて同じ材料でもよいし、各機能部に応じた異なる材料を用いるようにしてもよい。

光分離部４は、光入力部３を導波した光を、マルチチャネル光導波路５の各光導波路６に分配するものである。光分離部４は、入力光の強度を各光導波路６に等分配する。マルチチャネル光導波路５には光出力部７のチャネル数と同数の８本の光導波路６が並列配置されている。ここでは、図２において手前側から順に、チャネルｃｈ０，ｃｈ１，ｃｈ２，ｃｈ３，ｃｈ４，ｃｈ５，ｃｈ６，ｃｈ７とする。なお、光導波路６は、シングルモードで光の伝搬を行うことを前提としている。

光分離部４の光分配素子３０Ａは、光入力部３に接続されている。光分配素子３０Ａは、１つの入射光を光強度比１：６：１の３つに分配するものである。光分配素子３０Ａを、以下、１：６：１光分配素子３０Ａと称す。光分配素子３０Ａは、図５に示すように、入力端３１と、一側の出力端３２と、中央の出力端３３と、他側の出力端３４と、を備える。

ここでは、光入力部３が入力端３１に接続されている。一側の出力端３２から伸びる出力光導波路は、チャネルｃｈ７の光導波路６を構成している。他側の出力端３４から伸びる出力光導波路は、チャネルｃｈ０の光導波路６を構成している。中央の出力端３３から伸びる出力光導波路は、１：６：１光分配素子３０Ａの出力光導波路のうち強度が最大であり、これを以下、６／８出力光導波路６と称す。この６／８出力光導波路６には、図２に示すように光分配素子３０Ｂが接続されている。

光分配素子３０Ｂは、１つの入射光を光強度比１：４：１の３つに分配するものである。光分配素子３０Ｂを、以下、１：４：１光分配素子３０Ｂと称す。１：４：１光分配素子３０Ｂの出力光導波路のうち強度が最大のものを、以下、４／６出力光導波路６と称す。この４／６出力光導波路６に、光分配素子３０Ｃが接続されている。光分配素子３０Ｃは、１つの入射光を光強度比１：２：１の３つに分配するものである。光分配素子３０Ｃを、以下、１：２：１光分配素子３０Ｃと称す。１：２：１光分配素子３０Ｃの出力光導波路のうち強度が最大のものを、以下、２／４出力光導波路６と称す。この２／４出力光導波路６に、１ｘ２ ＭＭＩ光スプリッタ２０が接続されている。

６／８出力光導波路には位相制御部１０Ａが設けられている。位相制御部１０Ａを以下、６／８位相制御部１０Ａと称す。
４／６出力光導波路には位相制御部１０Ｂが設けられている。位相制御部１０Ｂを以下、４／６位相制御部１０Ｂと称す。
２／４出力光導波路には位相制御部１０Ｃが設けられている。位相制御部１０Ｃを以下、２／４位相制御部１０Ｃと称す。
なお、各位相制御部１０は、図１７に示すＯＰＡ１０１に備わる位相制御部１１０と同様の構造であり、電極面積も等しいものとする。

位相制御部１０は、外部印加電圧等で生じる電界、あるいは電流供給により発生するジュール熱により屈折率が変化する材料を含んでいる。位相制御部１０は、図１に示すように電極線８を介して送られる電気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。つまり、位相制御部１０は、電極線８から送られる電気信号によって、位相制御部１０内を伝搬する光の位相が制御可能になっている。外部印加電圧で生じる電界により屈折率が変化する材料を含む位相制御部１０には、電極（下部電極１１、上部電極１２：図３参照）が設けられている点が光出力部７等の光導波路とは異なっている。電流供給に伴うジュール熱により屈折率が変化する材料を含む位相制御部１０には、図３における下部電極１１もしくは上部電極１２のうち１つないしは２つが設けられている。外部印加電圧で生じる電界により屈折率が変化する材料を含む位相制御部１０の電極配置においては、電圧印加により生じる基板２と垂直な方向の電界成分の分布により屈折率分布が変化する。このため本構成例では、伝播する光として電界の振幅方向が基板２と垂直な方向であるＴＭ（Transverse Magnetic）モードの偏光を用いる。ただし、後記するように電極をコアの側面に配置し、ＴＥ（Transverse Electric）モードの偏光を用いてもよい。

電極の材料としては、金、銀、銅、ニッケル、アルミニウム、クロムなどの金属、もしくは金属酸化物や窒化物が好適である。
複数の電極線８は、各位相制御部１０の電極にそれぞれ電気的に接続されている。電極線８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８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。

ここで、位相制御部１０の動作について、ＥＯ材料の一つであるＥＯポリマーをコアに適用した光導波路を例に挙げて説明する。外部電界Ｅを与えたとき、ＥＯポリマーの屈折率ｎは、外部電圧印加のなき場合の屈折率ｎ₀に対して、次の式（１）にしたがって変化する。
ｎ＝ｎ₀－0.5ｒ₃₃ｎ³Ｅ … 式（１）
この現象をＥＯ効果（ポッケルス効果）と呼び、屈折率変化の大きさを示す物性値ｒ₃₃をＥＯ係数と呼ぶ。

図３は、ＥＯポリマーをコア６１に、これよりも屈折率の低い材料をクラッド６２に適用した光導波路６の位相制御部１０における断面構造の一例である。図示するように、位相制御部１０の下部電極１１および上部電極１２は電極線８を介して波形発生器８１に接続されている。光ビーム収束・発散制御デバイス１の駆動時には、波形発生器８１が、位相制御部１０ごとに定められた波形の駆動電圧圧を該当の位相制御部１０に印加する。上部電極１２と下部電極１１との間に電位差を与えると、コア６１に電界が生じるため、ＥＯ効果によってコア６１の屈折率が変化する。長さがＬである位相制御部１０に入射した波長λの光の位相は、位相制御部１０を通過することにより、外部電圧印加のなき場合には2πｎ₀Ｌ／λだけ変化する。これに対し、外部電圧により電界Ｅが生じたとき、光の位相は2π（ｎ₀－0.5ｒ₃₃ｎ³Ｅ）Ｌ／λだけ変化する。したがって、外部電圧の大きさによる位相変化量の違いはπｒ₃₃ｎ³ＥＬ／λであり、これを用いることで、位相制御部１０による光位相の制御が可能である。たとえば全ての位相制御部１０への入射光の位相が同一であるとき、隣接する位相制御部１０の電界がＡだけ異なるように印加電圧を選ぶことにより、隣接する光出力部７における光の位相差Ｆを次の式（２）で設定することができる。
Ｆ＝πｒ₃₃ｎ³ＡＬ／λ … 式（２）

［光ビーム収束・発散制御デバイスの動作］
次に、光ビーム収束・発散制御デバイス１による収束・発散の動作を説明する。
図１および図２に示す光ビーム収束・発散制御デバイス１において、チャネルｃｈ０を通る光の光出力部７における位相と、チャネルｃｈ７を通る光の光出力部７における位相とは、等しい。
同様に、チャネルｃｈ１を通る光の光出力部７における位相と、チャネルｃｈ６を通る光の光出力部７における位相とは、等しい。
また、チャネルｃｈ２を通る光の光出力部７における位相と、チャネルｃｈ５を通る光の光出力部７における位相とは、等しい。
さらに、チャネルｃｈ３を通る光の光出力部７における位相と、チャネルｃｈ４を通る光の光出力部７における位相とは、等しい。

図２に示す１：６：１光分配素子３０Ａの最大強度を出力する６／８出力光導波路６に設けた６／８位相制御部１０Ａを動作させたとき、その作用は１：４：１光分配素子３０Ｂに入射する光位相に影響を与え、チャネルｃｈ０，ｃｈ７をそれぞれ通る光の位相に影響を与えない。

また、図２に示す１：４：１光分配素子３０Ｂの最大強度を出力する４／６出力光導波路６に設けた４／６位相制御部１０Ｂを動作させたとき、その作用は１：２：１光分配素子３０Ｃに入射する光位相に影響を与え、チャネルｃｈ０，ｃｈ７及びチャネルｃｈ１，ｃｈ６をそれぞれ通る光の位相に影響を与えない。

また、図２に示す１：２：１光分配素子３０Ｃの最大強度を出力する２／４出力光導波路６に設けた２／４位相制御部１０Ｃを動作させたとき、その作用は１ｘ２ＭＭＩ光スプリッタ２０に入射する光位相に影響を与え、チャネルｃｈ０，ｃｈ７及びチャネルｃｈ１，ｃｈ６並びにチャネルｃｈ２，ｃｈ５をそれぞれ通る光の位相に影響を与えない。

したがって、光ビーム収束・発散制御デバイス１において、光出力部７におけるチャネルｃｈ０，ｃｈ７の光位相に対し、チャネルｃｈ１，ｃｈ６の光位相は６／８位相制御部１０Ａにより制御できる。
また、光出力部７におけるチャネルｃｈ１，ｃｈ６の光位相に対し、チャネルｃｈ２，ｃｈ５の光位相は４／６位相制御部１０Ｂにより制御できる。
さらに、光出力部７におけるチャネルｃｈ２，ｃｈ５の光位相に対し、チャネルｃｈ３，ｃｈ４の光位相は２／４位相制御部１０Ｃにより制御できる。

そのため、図４（ａ）および図４（ｂ）に示す光ビームの収束・発散制御が可能である。具体的には、チャネルｃｈ０，ｃｈ１，ｃｈ２，ｃｈ３（適宜図２参照）の互いに隣接する光出力部７における位相差が－Ｆであるとき、且つチャネルｃｈ４，ｃｈ５，ｃｈ６，ｃｈ７の互いに隣接する光出力部７における位相差が＋Ｆであるとき、且つ、チャネルｃｈ３，ｃｈ４の光出力部７における位相差が０であるときに、光ビームの波面は図４（ａ）に示す収束波面となり、光ビームは収束光となる。なお、Ｆは、前記した式（２）で表される。

一方、チャネルｃｈ０，ｃｈ１，ｃｈ２，ｃｈ３の互いに隣接する光出力部７の位相差が＋Ｆであるとき、且つ、チャネルｃｈ４，ｃｈ５，ｃｈ６，ｃｈ７の互いに隣接する光出力部７の位相差が－Ｆであるとき、且つ、チャネルｃｈ３，ｃｈ４の光出力部７における位相差が０であるときに、光ビームの波面は図４（ｂ）に示す発散波面となり、光ビームは発散光となる。

また、例えば、基準とするチャネルｃｈ０，ｃｈ７の光位相に比べて、チャネルｃｈ１，ｃｈ６の光位相をＦ１だけ変化させ、且つ、チャネルｃｈ２，ｃｈ５の光位相をＦ２だけ変化させ、且つ、チャネルｃｈ３，ｃｈ４の光位相をＦ３だけ変化させたい場合には、次のように設定すればよい。すなわち、６／８位相制御部１０Ａによる位相制御量をＦ１に設定し、且つ、４／６位相制御部１０Ｂによる位相制御量を（Ｆ２－Ｆ１）に設定し、且つ、２／４位相制御部１０Ｃによる位相制御量を（Ｆ３－Ｆ２）とすれば、所望の位相制御が実現できる。
光ビーム収束・発散制御デバイス１によれば、光出力部７のチャネル数ｎの光ビームの出力は、ｎ／２個より少ない位相制御部１０に電圧印加することで実現されるので、図１７のマルチチャネル光導波路１０５と比べて、半分より少ない消費電力を実現する効果を奏することができる。

光ビーム収束・発散制御デバイス１によれば、光出力部７のチャネル数ｎの光ビームの出力は、ｎ／２個より少ない位相制御部１０に電圧印加することで実現される。この結果、光ビーム収束・発散制御デバイス１は、図１７のようにマルチチャネル光導波路１０５に個別の位相制御部１１０を有する従来のＯＰＡ１０１に比べて、半分より少ない消費電力を実現する効果を奏する。

［光分配素子の構造の設計例］
次に、光ビーム収束・発散制御デバイス１に用いる光分配素子３０の構造について図５に示す１：６：１光分配素子３０Ａを例にとって説明する。

図５の１：６：１光分配素子３０Ａは、１ｘ８スプリッタ部４０Ａと、６ｘ１コンバイナ部５０Ａと、を隙間なく配置して備えている。
１ｘ８スプリッタ部４０Ａは、幅Ws8（＝poｘ８）、長さLs8なる光導波路である。
６ｘ１コンバイナ部５０Ａは、幅Wc6（＝poｘ６）、長さLc6なる光導波路である。
１：６：１光分配素子３０Ａには、入力部として、１ｘ８スプリッタ部４０Ａに幅Wcの光導波路（光入力部３）が接続されている。
１：６：１光分配素子３０Ａには、出力部として、１ｘ８スプリッタ部４０Ａに２本の光導波路６，６が接続されており、且つ、１ｘ６コンバイナ部に１本の光導波路６が接続されている。

なお、Ws8、Ls8などのアルファベット2文字と数字1文字を組み合わせた符号においてアルファベットのLは長さ、Wは幅、sはスプリッタ、cはコンバイナを意味しており、数字は符号po（Output Pitch）で示す幅の係数を意味する。なお、poの具体例については後記する。

１ｘ８スプリッタ部４０Ａは、幅の狭い光導波路に対して、幅が広い光導波路を接続したときに、幅の広い光導波路内で生じる現象であるマルチモード干渉に基づき、入力部から長さLs8の地点に８個の光強度ピークが発生するように設計されたマルチモード光導波路である。

１ｘ８スプリッタ部４０Ａは、図６（ａ）に示す１ｘ８ ＭＭＩ光スプリッタの構成部品と等価な部品である。１ｘ８ ＭＭＩ光スプリッタは、１つの光導波路を入力部とし、且つ、８つの光導波路を等しい間隔（出力ピッチ）poで配置した出力部を有するとき、入力部より入射した光を８つの光導波路に分配する機能を有している。

図６（ａ）に示す１ｘ８ ＭＭＩ光スプリッタの設計においては、まず出力光導波路のピッチ（出力ピッチ）poと本数Ｎ（この場合はＮ＝８）とによって、幅Ws8＝８×poを定める。そして、入力部から光を入射した際に１ｘ８スプリッタ部４０Ａ内に生じる光干渉パターンを、ビーム伝搬法などの数値シミュレーションによって求める。なお、光干渉パターンは解析式や近似式によって求めても構わない。得られる光干渉パターンは、伝搬長が特定の値と一致するとき、１つもしくは複数の光強度ピークをつくり、幅方向の強度分布は入力光導波路の延長線上を中心とする対称なものとなる。幅方向における光強度ピークが１つに収束する伝搬長の４／３倍の長さをLa8とすると、すなわち伝搬長が３La8／４のとき光強度ピークが一点に収束すると、前記の特定の値は、長さLa8の３ａ／ｂ倍（ただしａとｂは整数）となることが理論的に知られている（例えば下記参考文献参照）。
（参考文献）光導波路解析入門pp.176-198
なお、上記の長さLa8は、図６（ａ）に示す１ｘ８ ＭＭＩ光スプリッタの長さ（Ls8）に関連付けられた長さを意味する。

前記の理論によって求めた長さLa8を用いることにより、１ｘ８スプリッタ部４０Ａの長さ（Ls8）は、Ls8＝３La8／３２の関係式によって決定される。なお、一般化した１ｘＮスプリッタ部の設計において、出力ピッチpoや本数Ｎが異なるが、その場合も、それに合わせた長さLaの値を求めれば、１ｘＮスプリッタ部の長さを、３La／(４Ｎ)の関係式によって決定することが可能である。

例えば、図示しない１ｘ６ ＭＭＩ光スプリッタの設計や、図７（ａ）に示す１：４：１光分配素子３０Ｂに用いる１ｘ６スプリッタ部４０Ｂの設計においては、幅方向における光強度ピークが一点に収束する伝搬長の４／３倍として長さLa6を求め、これを用いればよい。この場合、１：４：１光分配素子３０Ｂの１ｘ６スプリッタ部４０Ｂの長さ（Ls6）は、Ls6＝３La6／２４の関係式によって決定することができる。なお、上記の長さLa6は、図示しない１ｘ６ ＭＭＩ光スプリッタの長さ（Ls6）に関連付けられた長さを意味する。

図５に戻って、１：６：１光分配素子３０Ａに用いる６ｘ１コンバイナ部５０Ａの長さ（Lc6）は、１ｘ６ＭＭＩ光スプリッタの設計で求めた長さLa6に基づいて決定する。具体的には、伝搬長が１ｘ６ＭＭＩ光スプリッタの長さ（Ls6）と等しいときには、幅方向における光強度ピークが６個存在し、伝搬長がLa6と等しいときには一点に収束することから、次の式（３）で示される関係式とする。
Lc6＝La6－Ls6 … 式（３）
この設計は、図６（ｂ）に示す６ｘ１ ＭＭＩ光コンバイナを設計することと等価である。６ｘ１ ＭＭＩ光コンバイナは、６本の入力光導波路と１本の出力光導波路とを備えている。なお、６ｘ１ ＭＭＩ光コンバイナの幅（Wc6）には、Wc6＝６×poの関係がある。

上記のように決定された１ｘ８ＭＭＩ光スプリッタと、６ｘ１ＭＭＩ光コンバイナとを、中心軸を一致させて近接配置することにより、１：６：１光分配素子３０Ａを構成することができる。
上記の設計を要約すると、１：６：１光分配素子３０Ａは、長さLa8に基づいて１ｘ８スプリッタ部４０Ａの長さ（Ls8）を求め、長さLa6に基づいて６ｘ１コンバイナ部５０Ａの長さ（Lc6）を求め、これらを用いることによって設計される。

同様に、図７（ａ）に示す１：４：１光分配素子３０Ｂは、長さLa6に基づいて１ｘ６スプリッタ部４０Ｂの長さ（Ls6）を求め、長さLa4に基づいて４ｘ１コンバイナ部５０Ｂの長さ（Lc4）を求め、これらを用いることによって設計される。
さらに、図７（ｂ）に示す１：２：１光分配素子３０Ｃは、長さLa4に基づいて１ｘ４スプリッタ部４０Ｃの長さ（Ls4）を求め、長さLa2に基づいて２ｘ１コンバイナ部５０Ｃの長さ（Lc2）を求め、これらを用いることによって設計される。
なお、チャネル数が多い場合、１：（Ｎ－２）：１光分配素子３０は、長さLaNに基づいて１ｘＮスプリッタ部の長さ（LsN）を求め、長さ（La(N-2)）に基づいて（Ｎ－２）ｘ１コンバイナ部の長さ（Lc(N-2)）を求めることで同様に設計される。

例えば１：６：１光分配素子３０Ａには、１ｘ８ＭＭＩ光スプリッタと６ｘ１ＭＭＩ光コンバイナとをつなぐ導波路がなく、これらは一体で作られており、間をつなぐ導波路が存在しないことから光の損失が少なくなるメリットがある。同様に１：４：１光分配素子３０Ｂは、１ｘ６ＭＭＩ光スプリッタと４ｘ１ＭＭＩ光コンバイナの組み合わせに比して光の損失が少ない。また、１：２：１光分配素子３０Ｃは、１ｘ４ＭＭＩ光スプリッタと２ｘ１ＭＭＩ光コンバイナの組み合わせに比して光の損失が少ない。

［変形例］
位相制御部１０は、図３の断面図に示すように光導波路６を挟んで対向して配置された下部電極（第１電極）１１および上部電極（第２電極）１２を備えている。図３は、図２におけるＢの領域のＸＹ平面に平行な断面で切断した横断面図である。これに対して図２におけるＢの領域のＹＺ平面に平行な断面で切断した縦断図の一例を図８（ａ）に示す。図８（ａ）に示す例では、下部電極１１と上部電極１２とが、対向する方向において完全に重なっている。位相制御部１０の電極配置は、これに限るものではなく、図８（ｂ）に示すような電極配置でも構わない。図８（ｂ）に示す例では、下部電極１１と上部電極１２とが対向する方向において重複する重複領域Ｒ３は、上部電極１２が配置された領域Ｒ２よりも狭い領域であり、且つ、下部電極１１が配置された領域Ｒ１よりも狭い領域である。また、図示を省略するが、重複領域Ｒ３は、下部電極１１が配置された領域Ｒ１と同じ広さであり、且つ、上部電極１２が配置された領域Ｒ２よりも狭い領域であってもよい。あるいは、重複領域Ｒ３は、上部電極１２が配置された領域Ｒ２と同じ広さであり、且つ、下部電極１１が配置された領域Ｒ１よりも狭い領域であっても構わない。これらのように、下部電極１１と上部電極１２とが対向する方向において重なる領域Ｒ３を狭くすることで、電力消費に実質的に寄与する電極面積を低減したことになる。ゆえに、消費電力のさらなる低減を実現することができる。

位相制御部１０の電極は、コアの上下方向に配置されるものに限らず、図９に示すようにコア６１の側方に配置してもよい。図９は、図２におけるＢの領域に対応した斜視図である。基板２の上に下部クラッドを介して電極１１Ａ，１２Ａおよびコア６１が設けられ、電極１１Ａ，１２Ａおよびコア６１の上に上部クラッドが設けられている。コア６１の周囲のクラッド６２Ａは、電極１１Ａ，１２Ａの周囲の絶縁材料を兼ねている。なお、クラッドをなす誘電体材料と、電極１１Ａ，１２Ａの周囲の絶縁材料を別材料にしてもよい。図９に示す位相制御部１０によれば、２つの電極１１Ａ，１２Ａがコア６１を側方から挟み込むようにＸ軸方向に並んで配置されており、ＴＥモードの偏光を用いることができる。図９には、電極１１Ａ，１２Ａおよびコア６１の下面の位置は同じであり、電極１１Ａ，１２Ａの高さ（Ｙ方向の長さ）は、コア６１の高さ（Ｙ方向の長さ）よりも低い形態を例示した。ただし、電極１１Ａ，１２Ａの位置や高さは、図示した形態に限定されるものではなく、コア６１内の電界に基板２と並行な面内の成分があれば良い。例えば、電極１１Ａ、１２Ａの高さがコア６１の高さと等しい、もしくは高くても良い。また、電極１１Ａ、１２Ａの下面の位置はコア６１の下面の位置と異なっても良い。さらに、２つの電極１１Ａ、１２Ａの高さもしくは下面の位置は互いに異なっても良い。
なお、位相制御部１０の電極がコアの上下方向（Ｙ方向）に配置される場合、電極の幅（Ｘ方向の長さ）をコアの幅より細くすることで、電極の幅とコアの幅が同じである場合に比べて、電力消費に実質的に寄与する電極面積を低減することができる。

前記実施形態に係る光ビーム収束・発散制御デバイス１において、チャネル数ｎを８であるものとして説明したが、チャネル数はこれに限らない。例えばチャネル数ｎを６にする場合、図１０（ａ）に示す光分離部４Ｂのように、２段の光分配素子３０Ｂ，３０Ｃと、１つのスプリッタ２０と、を備えていればよい。また、チャネル数ｎを４にして、図１０（ｂ）に示す光分離部４Ｃのように、１段の光分配素子３０Ｃと、１つのスプリッタ２０と、を備える構成であっても収束・発散制御を行うことができる。また、４段以上の光分配素子３０を設けてもよく、チャネル数ｎを８以上の例えば６０や１２０のようにしてもよい。なお、出力強度が低下する分は入力光の強度を増強して補うことができる。

以上、本発明の実施形態に係る光ビーム収束・発散制御デバイス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。

チャネル数ｎを８とした場合の光ビーム収束・発散制御デバイス１の構成例について図１～図３を参照（適宜図５～図７参照）して説明する。
本実施例で用いる光導波路は、図３に示す断面構造を有する。作製においては、基板２としてシリコン基板を準備し、シリコン基板表面を焼成して厚さ３μｍの酸化シリコン層により被膜を形成する。そして、基板２の被膜の上に、位相制御部１０のパターンに合わせて厚さ０．１μｍの導電性薄膜を形成して下部電極１１を形成する。その上にクラッド６２（下部クラッド）となる厚さ２．５μｍの誘電体材料（屈折率１．４８）と、コア６１となる厚さ１．５μｍのＥＯ材料（屈折率１．６２）を順次積層する。必要に応じてＥＯ材料の配向処理を行ったのち、ＥＯ材料層を幅１．５μｍの後記する光導波路パターンにエッチングする。光導波路パターンを形成したのち、その上にクラッド６２（上部クラッド）となる厚さ２．５μｍの誘電体材料（屈折率１．４８）を積層する。その上に、位相制御部１０のパターンに合わせて厚さ０．１μｍの導電性材料で被覆し、上部電極１２とする。

なお、酸化シリコン層は形成せずともよい。また、上部電極１２および下部電極１１は、位相制御部１０である光導波路にのみ配置されるが、位相制御部１０以外の光導波路にも、上部電極１２および下部電極１１の片方のみが配置されても構わない。また、ＥＯ材料を上部・下部クラッドのいずれか、もしくは両方に用いてもよいが、クラッド材料の屈折率はコア材料の屈折率に比して小さいものとする。また、コア材料に関し、位相制御部１０以外の部分において、位相制御部１０とは異なる誘電体材料を積層し、コアとしてパターニングしてもよい。

図２に示すように、光ビーム収束・発散制御デバイス１の光導波路のパターンは次のような接続関係を有している。すなわち、光入力部３となる光導波路には、１：６：１光分配素子３０Ａが接続されている。１：６：１光分配素子３０Ａには、マルチチャネル光導波路５のチャネルｃｈ０，ｃｈ７と、６／８位相制御部１０Ａが接続されている。６／８位相制御部１０Ａには１：４：１光分配素子３０Ｂが接続されている。１：４：１光分配素子３０Ｂには、マルチチャネル光導波路５のチャネルｃｈ１，ｃｈ６と、４／６位相制御部１０Ｂが接続されている。４／６位相制御部１０Ｂには１：２：１光分配素子３０Ｃが接続されている。１：２：１光分配素子３０Ｃには、マルチチャネル光導波路５のチャネルｃｈ２，ｃｈ５と、１ｘ２ＭＭＩ光スプリッタ２０が接続されている。１ｘ２ＭＭＩ光スプリッタ２０には、マルチチャネル光導波路５のチャネルｃｈ３，ｃｈ４が接続されている。

光ビーム収束・発散制御デバイス１の各光部品のサイズは次の通りである。
光入力部３となる光導波路の長さは１００μｍ以上とした。
１：６：１光分配素子３０は、１ｘ８スプリッタ部４０Ａと、６ｘ１コンバイナ部５０Ａとを備えている。
１ｘ８スプリッタ部４０Ａのサイズは、幅８０μｍ、長さ８２６μｍとした。
６ｘ１コンバイナ部５０Ａのサイズは、幅６０μｍ、長さ３１０６μｍとした。
１ｘ８スプリッタ部４０Ａには、幅方向の両端から各５μｍの位置を中心として、マルチチャネル光導波路のチャネルｃｈ０，ｃｈ７がそれぞれ接続される。
６ｘ１コンバイナ部５０Ａにおける幅方向の中心且つ長さ方向の終端部に、光導波路を介して長さ０．１ｍｍの６／８位相制御部１０Ａが接続される。

１：４：１光分配素子３０Ｂは、１ｘ６スプリッタ部４０Ｂと、４ｘ１コンバイナ部５０Ｂとを備えている。
１ｘ６スプリッタ部４０Ｂのサイズは、幅６０μｍ、長さ６２５μｍとした。
４ｘ１コンバイナ部５０Ｂのサイズは、幅４０μｍ、長さ１２６４μｍとした。
１ｘ６スプリッタ部４０Ｂには、幅方向の両端から各５μｍの位置を中心として、マルチチャネル光導波路のチャネルｃｈ１，ｃｈ６がそれぞれ接続される。
４ｘ１コンバイナ部５０Ｂにおける幅方向の中心且つ長さ方向の終端部に、光導波路を介して長さ０．１ｍｍの４／６位相制御部１０Ｂが接続される。

１：２：１光分配素子３０Ｃは、１ｘ４スプリッタ部４０Ｃと、２ｘ１コンバイナ部５０Ｃとを備えている。
１ｘ４スプリッタ部４０Ｃのサイズは、幅４０μｍ、長さ４２４μｍとした。
２ｘ１コンバイナ部５０Ｃのサイズは、幅２０μｍ、長さ２２２μｍとした。
１ｘ４スプリッタ部４０Ｃには、幅方向の両端から各５μｍの位置を中心として、マルチチャネル光導波路のチャネルｃｈ２，ｃｈ５がそれぞれ接続される。
２ｘ１コンバイナ部５０Ｃにおける幅方向の中心且つ長さ方向の終端部に、光導波路を介して長さ０．１ｍｍの２／４位相制御部１０Ｃが接続される。

１ｘ２ＭＭＩ光スプリッタ２０のサイズは、幅２０μｍ、長さ２２３μｍとした。
１ｘ２ＭＭＩ光スプリッタ２０には、幅方向の中心から各５μｍの位置を中心として、マルチチャネル光導波路のチャネルｃｈ３，ｃｈ４がそれぞれ接続される。

６／８位相制御部１０Ａと、４／６位相制御部１０Ｂと、２／４位相制御部１０Ｃは、同一の構造とした。位相制御部１０のコア材料にはＥＯ効果を有する色素を混合したＥＯポリマーを使用した。ＥＯポリマーの屈折率は１．６２であるが、ＥＯポリマーに１０Ｖの電圧を印加すると、色素の作用に基づくＥＯ効果によって屈折率が１．６１８５７９に変化するものとした。

上記構造の光ビーム収束・発散制御デバイスについて行った数値シミュレーションについて図１１を参照（適宜、図１、図２、図３および図５参照）して説明する。数値シミュレーションには、光学機器設計に実績のある、ビーム伝搬法シミュレーションソフトウェアＯｐｔｉＢＰＭ（Ｏｐｔｉｗａｖｅ社製）を使用した。また、数値シミュレーションにける入射光は、波長１．５５μｍのＣＷ（Continuous Wave）レーザー光とした。

図１１は、図２の平面図に対応したシミュレーション結果の俯瞰図であり、光導波路パターンを基板上方から見た場合の光振幅分布である。図１１の横軸の単位は、縦軸の単位と３桁異なっている。なお、図面上のサイズは、前記した部品サイズと同じとは限らず誇張している場合がある。ここでは、光導波路を通る光の振幅（振幅強度）の数値をカラー化して示している。振幅強度０は、青（濃淡で示すときには最も淡い白）に対応している。振幅強度０．３９１は、赤（濃淡で示すときには最も濃い黒）に対応している。振幅強度の数値が高くなるにつれて色は青→緑→黄色→赤のように変化する（濃淡で示すときには白から黒へ徐々に変化する）。図１１によれば、マルチチャネル光導波路へ光が分配・入力され、光出力部まで伝搬していることが分かる。

図１１の干渉縞において、横軸Ｚの所定値のときに縦軸に沿って見てみると、光が強め合う箇所（ピーク）が光入力部側（左）に多数あり、それを横軸の値の大きくなる方向に沿って見てみると、ピークは１個ずつ減少していき、ピークの個数が８個になるところが、１ｘ８スプリッタ部４０Ａと６ｘ１コンバイナ部５０Ａとの境界になっている。あるいは、横軸Ｚの値が、およそ2.0×10³μｍの付近を縦軸に沿って見てみると、２個のピークがあり、入力側（左）にたどっていくとピークの個数が３個、４個、…、８個となっていることが分かる。すなわち、１ｘ８スプリッタ部が８本分の光導波路６の光強度を有する光を入力して、そのうち６本分の光導波路６の光強度を有する光を６ｘ１コンバイナ部５０Ａに入力し、そこで１つにまとめて後段に出力するという設計どおりの様子が分かる。

この数値シミュレーションでは、以下の実験１～実験５を行い、上記構造の光ビーム収束・発散制御デバイスを伝搬した光の光出力部における位相分布によって収束・発散の制御性を確認した。
実験１：位相制御部に電圧印加を行わない場合の光位相分布の確認
実験２：１つの位相制御部に電圧を印加した場合の光位相分布の確認
実験３：全ての位相制御部に電圧を印加した場合の光位相分布の確認
実験４：発散光となる光位相分布の確認
実験５：収束光となる光位相分布の確認

（実験１）
図１２は、位相制御部に電圧印加を行わない場合の光出力部における光導波路断面の光位相分布を示す図である。ここでは、光入力部における光位相を基準（０）とした相対位相値をカラー化して示している。相対位相値－πは、青（濃淡で示すときには最も淡い白）に対応している。基準位相値（相対位相値０）は、緑（濃淡で示すときにはグレー）に対応している。相対位相値＋πは、赤（濃淡で示すときには最も濃い黒）に対応している。また、図１２において、等間隔で並ぶ８個の枠（Ｙ軸方向を長手方向とする矩形状の枠）は、８チャネル分の光出力部の光導波路断面に相当する領域をそれぞれ示している。枠の下から２．５μｍまでの範囲の下部クラッドと、その上の１．５μｍ厚のコアとが分かるように仕切り（水平の線）がついているが、その上の２．５μｍ厚の上部クラッド部は図示を省略している。これらの枠の幅は、光導波路の幅（１．５μｍ）であり、前記したＥＯ材料層をエッチングにより幅１．５μｍの光導波路パターンにすることに対応している。

図１２において、チャネルｃｈ０，ｃｈ１，ｃｈ２，ｃｈ３の相対位相は、それぞれ、－０．２４，１．２４，－２．２４，２．６９である。また、チャネルｃｈ４，ｃｈ５，ｃｈ６，ｃｈ７の相対位相は、それぞれ、チャネルｃｈ３，ｃｈ２，ｃｈ１，ｃｈ０の相対位相と等しいことが示されている。言い換えると、全８チャネルの中央に対して対称な位相分布を光に持たせていることが分かる。

（実験２）
図１３は、６／８位相制御部１０Ａに１０．３Ｖの電圧を印加した場合の光出力部における光導波路断面の光位相分布を示す図である。なお、図の表示方法は図１２と同様である。図１３において、チャネルｃｈ０，ｃｈ１，ｃｈ２，ｃｈ３の相対位相は、それぞれ、－０．２４，－０．２４，２．４６，１．１２である。また、チャネルｃｈ４，ｃｈ５，ｃｈ６，ｃｈ７の相対位相は、それぞれ、チャネルｃｈ３，ｃｈ２，ｃｈ１，ｃｈ０の相対位相と等しいことが示されている。図１３により、図１２と比べると、６／８位相制御部１０Ａへの電圧印加によって、チャネルｃｈ０，ｈ７を除くチャネルの相対位相を制御することができ、チャネルｃｈ０，ｃｈ１，ｃｈ０，ｃｈ７を等位相にできることが示された。よって、６／８位相制御部１０Ａが設計通りに機能することが示された。

（実験３）
図１４は、６／８位相制御部１０Ａに１０．３Ｖの電圧を印加し、４／６位相制御部１０Ｂに７．７Ｖの電圧を印加し、２／４位相制御部１０Ｃに３．１Ｖの電圧を印加した場合の光出力部における光導波路断面の光位相分布を示す図である。なお、図の表示方法は図１２と同様である。
図１４において、チャネルｃｈ０～ｃｈ７の相対位相は全て－０．２４である。図１４により、６／８位相制御部１０Ａ、４／６位相制御部１０Ｂおよび２／４位相制御部１０Ｃへの電圧印加によってチャネルｃｈ０～ｃｈ７の全チャネルを等位相にでき、正面から平行光を出せることが示された。

（実験４）
図１５は、６／８位相制御部１０Ａに１１．３Ｖの電圧を印加し、４／６位相制御部１０Ｂに８．７Ｖの電圧を印加し、２／４位相制御部１０Ｃに４．１Ｖの電圧を印加した場合の光出力部における光導波路断面の光位相分布を示す図である。なお、図の表示方法は図１２と同様である。図１５において、チャネルｃｈ０，ｃｈ１，ｃｈ２，ｃｈ３の相対位相は、それぞれ、－０．２４，０．１９，０．６９，１．１７である。チャネルｃｈ４，ｃｈ５，ｃｈ６，ｃｈ７の相対位相は、それぞれ、チャネルｃｈ３，ｃｈ２，ｃｈ１，ｃｈ０の相対位相と等しい。これは、中央部分から外側に向かって位相が遅れ、中央部分の方が進んでいて中央に対して対称な位相分布を光に持たせたこと（図４（ｂ）参照）に相当する。図１５により、チャネルｃｈ０～ｃｈ７の位相分布を発散波面にでき、発散光を出せることが示された。

（実験５）
図１６は、６／８位相制御部１０Ａに９．３Ｖの電圧を印加し、４／６位相制御部１０Ｂに６．７Ｖの電圧を印加し、２／４位相制御部１０Ｃに２．１Ｖの電圧を印加した場合の光出力部における光導波路断面の光位相分布を示す図である。なお、図の表示方法は図１２と同様である。図１６において、チャネルｃｈ０，ｃｈ１，ｃｈ２，ｃｈ３の相対位相は、それぞれ、－０．２４，－０．６８，－１．１６，－１．６３である。また、チャネルｃｈ４，ｃｈ５，ｃｈ６，ｃｈ７の相対位相は、それぞれ、チャネルｃｈ３，ｃｈ２，ｃｈ１，ｃｈ０の相対位相と等しい。これは、中央部分から外側に向かって位相が進み、中央部分の方が遅れていて中央に対して対称な位相分布を光に持たせたこと（図４（ａ）参照）に相当する。図１６により、チャネルｃｈ０～ｃｈ７の位相分布を収束波面にでき、収束光を出せることが示された。

前記実験３～５に示した等位相波面、発散波面、収束波面を図１７に示すＯＰＡ１０１により得るためには、チャネルｃｈ０～ｃｈ７に個別に備わる個別の位相制御部１１０で電圧印加を行うため、同一の条件であっても、２倍の消費電力が必要である。

６／８位相制御部１０Ａは、図１７の６個の位相制御部１１０で行う必要がある制御を単独で果たすことができる。
４／６位相制御部１０Ｂは、図１７の４個の位相制御部１１０で行う必要がある制御を単独で果たすことができる。
２／４位相制御部１０Ｃは、図１７の２個の位相制御部１１０で行う必要がある制御を単独で果たすことができる。
図１７のＯＰＡ１０１が８個の位相制御部１１０を必要とするのに対し、上記構造の光ビーム収束・発散制御デバイスであれば、３個の位相制御部１０しか必要としないため、消費電力は３／８で済む。

本実施形態に係る光ビーム収束・発散制御デバイスは、光フェーズドアレイ、小惑星探査機の母船とその衛星との通信に使うアンテナ等の空間光通信、車載用レーダーに使うビームスキャン装置、奥行センサ、レーダー、ＬｉＤＡＲ、可視光ビームスキャン装置、立体ディスプレイ等、種々の光制御デバイスに幅広く利用することができる。

１ 光ビーム収束・発散制御デバイス
２ 基板
３ 光入力部
４ 光分離部
５ マルチチャネル光導波路
６ 光導波路
７ 光出力部
８ 電極線
１０ 位相制御部
１０Ａ ６／８位相制御部（位相制御部）
１０Ｂ ４／６位相制御部（位相制御部）
１０Ｃ ２／４位相制御部（位相制御部）
１１ 下部電極（第１電極）
１１Ａ 電極（第１電極）
１２ 上部電極（第２電極）
１２Ａ 電極（第１電極）
２０ １ｘ２ ＭＭＩ光スプリッタ（スプリッタ）
３０ 光分配素子
３０Ａ １：６：１光分配素子（光分配素子）
３０Ｂ １：４：１光分配素子（光分配素子）
３０Ｃ １：２：１光分配素子（光分配素子）
３１ 入力端
３２ 一側の出力端
３３ 中央の出力端
３４ 他側の出力端
４０Ａ １ｘ８スプリッタ部
４０Ｂ １ｘ６スプリッタ部
４０Ｃ １ｘ４スプリッタ部
５０Ａ ６ｘ１コンバイナ部
５０Ｂ ４ｘ１コンバイナ部
５０Ｃ ２ｘ１コンバイナ部
６１ コア
６２，６２Ａ クラッド

Claims (3)

1. 光導波路である１つの光入力部と、光導波路の端部である光出力部のチャネル数と同数の光導波路が並列配置されたマルチチャネル光導波路と、前記光入力部から入力する光を前記光導波路に分配する光分離部と、印加電圧もしくは電流供給により光の位相を制御する位相制御部と、を備え、
   前記光分離部は、１入力３出力の少なくとも１つの光分配素子と、前記光分配素子の１出力から出力される光を２つの光導波路に分配する１つのスプリッタと、を備え、
   前記光分配素子の１出力と前記スプリッタとの接続部に位相制御部が配置されており、
   前記光出力部のチャネル数を偶数の所定値ｎとして、４以上ｎ以下の偶数を変数Ｎとしたとき、
   前記光分配素子は、Ｎ本分の光導波路の光強度を有する光を入力して３つに分岐して出力する素子であって、１ｘＮ ＭＭＩ光スプリッタと、（Ｎ－２）ｘ１ ＭＭＩ光コンバイナとを近接配置して構成されており、かつ、
   前記光分配素子の３出力のうちの一側の出力端、中央の出力端、他側の出力端の光強度比は、１：（Ｎ－２）：１である
   ことを特徴とする光ビーム収束・発散制御デバイス。
2. Ｎの値が２つずつ異なる複数の光分配素子が、光入力側からＮの大きい順に縦列に配置され、Ｎの大きい側の光分配素子の中央の出力端と、Ｎの小さい側の光分配素子の入力との接続部に、位相制御部が配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の光ビーム収束・発散制御デバイス。
3. 前記位相制御部は、光導波路を挟んで対向して配置された第１電極および第２電極を備え、
   前記第１電極と前記第２電極とが対向する方向において重複する重複領域は、前記第１電極と前記第２電極の一方が配置された領域と同じ広さであるかまたはそれよりも狭い領域であり、且つ、他方が配置された領域よりも狭い領域である
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光ビーム収束・発散制御デバイス。
   

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