WO2018139510A1 - 位相変調器、位相変調器の制御方法および縞投影装置 - Google Patents

位相変調器、位相変調器の制御方法および縞投影装置 Download PDF

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WO2018139510A1
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WO
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waveguide
heater
phase modulator
substrate
power consumption
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PCT/JP2018/002210
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English (en)
French (fr)
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大智 渡邊
里美 片寄
渡邉　啓
優生 倉田
笠原　亮一
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オリンパス株式会社
日本電信電話株式会社
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    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
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    • G—PHYSICS
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    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
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    • G02F1/225—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  by interference in an optical waveguide structure
    • G02F1/2257—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  by interference in an optical waveguide structure the optical waveguides being made of semiconducting material
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    • G02F2203/21—Thermal instability, i.e. DC drift, of an optical modulator; Arrangements or methods for the reduction thereof
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    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/50—Phase-only modulation

Definitions

  • the present invention relates to a phase modulator, a method for controlling the phase modulator, and a fringe projection apparatus.
  • the "fringe scanning method” is used to calculate the irregularity information on the surface of the object by projecting a laser interference fringe onto the object and capturing and analyzing the projected image of the interference fringe.
  • This technology is known.
  • the fringe scanning method the depth and height of the irregularities at each point are obtained from the amount of scanning of the interference fringes and the change in the light intensity at each point of the projected image.
  • the scanning amount of the interference fringes is controlled by changing the phase difference between two or more light beams that cause interference.
  • the scanning amount of the projected interference fringes is controlled by changing one phase of the branched optical waveguide using the electro-optic effect or the like (see, for example, Patent Document 1).
  • a method for measuring the scattering characteristics of an object As a method for measuring the scattering characteristics of an object, a plurality of sine wave pattern lights having different phases are projected, and a specular reflection component, a primary scattering reflection component, and a multiple scattering reflection component from the object are separated and imaged. There is a technique called “structured lighting”. In this method, light of different reflection components can be obtained separately by using structured illumination having a pattern.
  • the plurality of sinusoidal pattern lights are generated by a phase shift method that changes the phase value of the pattern (see, for example, Patent Document 2).
  • a special material such as lithium niobate is required.
  • a phase modulator can be configured only with a general quartz-based material formed on a silicon substrate.
  • deformation such as warping may occur due to a difference in thermal expansion coefficient between the substrate and the optical waveguide, and the projection position of the interference fringes may change. If the projection position of the interference fringe changes due to a factor different from the phase change of the optical waveguide, it leads to a decrease in measurement accuracy.
  • the present invention has been made in such a situation, and one of exemplary purposes of an embodiment thereof is to provide a phase modulator that suppresses deformation due to heating.
  • a phase modulator includes one or more waveguides including at least a first waveguide provided on a substrate, and a plurality of heaters provided on the substrate.
  • the plurality of heaters include a first heater that heats the first waveguide and a second heater that heats a position away from the first waveguide, and is driven so that the total power consumption of the plurality of heaters is constant.
  • phase modulator is provided on the substrate and includes at least one waveguide including at least the first waveguide, a first heater provided on the substrate for heating the first waveguide, and separated from the first waveguide A plurality of heaters including a second heater for heating the position.
  • This method controls the phase of the first waveguide by changing the power consumption of the first heater under the condition that the total power consumption of the plurality of heaters is constant.
  • Still another aspect of the present invention is a fringe projection apparatus.
  • This apparatus has a first waveguide provided on the same substrate, a second waveguide, and a plurality of heaters including a first heater and a second heater, and the first heater heats the first waveguide.
  • a phase modulator configured to heat the second heater away from the first waveguide, a light source that generates light input to the first waveguide and the second waveguide, and consumption of a plurality of heaters
  • the light output from the first waveguide and the second waveguide is controlled by changing the power consumption of the first heater under the condition that the total power is constant to control the phase difference between the first waveguide and the second waveguide.
  • a control unit for controlling the projection pattern of the interference fringes generated by the interference.
  • deformation of the phase modulator due to heating can be suppressed.
  • FIG. 3A and FIG. 3B are diagrams schematically showing the operation of the heater. It is a figure which shows typically the structure of the fringe projection apparatus which concerns on a certain embodiment. It is a top view which shows typically the structure of the phase modulator which concerns on a modification.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the phase modulator of FIG. 5. It is a top view which shows typically the structure of the phase modulator which concerns on a modification. It is a top view which shows typically the structure of the phase modulator which concerns on a modification.
  • a phase modulator includes one or more waveguides including at least a first waveguide provided on a substrate, and a plurality of heaters provided on the substrate.
  • the plurality of heaters include a first heater that heats the first waveguide and a second heater that heats a position away from the first waveguide, and is driven so that the total power consumption of the plurality of heaters is constant.
  • the power consumption of the first heater that heats the first waveguide is changed due to the phase change of the first waveguide
  • the power consumption of the plurality of heaters provided on the substrate is constant. Therefore, the heating amount of the entire substrate can be kept constant.
  • the one or more waveguides may include a second waveguide different from the first waveguide.
  • the second heater may heat the second waveguide.
  • the one or more waveguides may include a second waveguide different from the first waveguide.
  • the second heater may heat a position away from both the first waveguide and the second waveguide.
  • the one or more waveguides are provided in a cladding layer on the substrate, and the first heater and the second heater are provided on the cladding layer, provided between the first heater and the second heater, and the cladding layer A heat insulating groove formed so as to expose the side surface may be further provided.
  • the optical coupler may be a Y-branch waveguide, a directional coupler, a multimode interference coupler, or a star coupler.
  • This method is a method of controlling a phase modulator, and the phase modulator is provided on a substrate, and includes at least one waveguide including at least a first waveguide, and provided on the substrate.
  • a plurality of heaters including a first heater for heating and a second heater for heating a position away from the first waveguide.
  • the phase of the first waveguide is controlled by changing the power consumption of the first heater under the condition that the total power consumption of the plurality of heaters is constant.
  • the power consumption of the first heater that heats the first waveguide is changed due to the phase change of the first waveguide
  • the power consumption of the plurality of heaters provided on the substrate is constant. Therefore, the heating amount of the entire substrate can be kept constant.
  • Still another aspect of the present invention is a fringe projection apparatus.
  • This apparatus has a first waveguide provided on the same substrate, a second waveguide, and a plurality of heaters including a first heater and a second heater, and the first heater heats the first waveguide.
  • a phase modulator configured to heat the second heater away from the first waveguide, a light source that generates light input to the first waveguide and the second waveguide, and consumption of a plurality of heaters
  • the light output from the first waveguide and the second waveguide is controlled by changing the power consumption of the first heater under the condition that the total power is constant to control the phase difference between the first waveguide and the second waveguide.
  • a control unit for controlling the projection pattern of the interference fringes generated by the interference.
  • the heating amount of the first heater is changed due to the phase change of the first waveguide, the heating amount of the entire substrate is kept constant, and the difference in thermal expansion coefficient between the substrate and the waveguide is kept.
  • deformation such as warpage of the substrate.
  • This suppresses changes in the emission positions of the first waveguide and the second waveguide due to substrate deformation, and changes in the projection pattern of the interference fringes due to factors other than the phase difference between the first waveguide and the second waveguide. Can be suppressed. Therefore, according to this aspect, the projection pattern of interference fringes can be controlled more precisely.
  • FIG. 1 is a top view schematically showing the configuration of the phase modulator 10 according to the embodiment.
  • the phase modulator 10 has a 1-input / 2-output Y-branch waveguide structure, branches the input light 70 to perform phase modulation, and outputs a first output light 71 and a second output light 72.
  • the phase modulator 10 is a so-called planar optical integrated circuit (PLC; Planar ⁇ ⁇ Lightwave Circuit).
  • PLC Planar ⁇ ⁇ Lightwave Circuit
  • a waveguide structure is formed on a silicon substrate using a quartz-based material.
  • the phase modulator 10 includes a substrate 12, an input waveguide 20, a first waveguide 21, a second waveguide 22, an optical coupler 26, a first heater 31, a second heater 32, and a first heat insulation.
  • a groove 35, a second heat insulation groove 36, and a third heat insulation groove 37 are provided.
  • the input waveguide 20, the first waveguide 21, the second waveguide 22, and the optical coupler 26 have a waveguide structure provided on the substrate 12.
  • the input waveguide 20 is coupled to the optical fiber 52 via the fiber block 50.
  • the light input to the input waveguide 20 is branched into the first waveguide 21 and the second waveguide 22 in the optical coupler 26.
  • the first waveguide 21 extends linearly from the optical coupler 26 toward the first output port 21a
  • the second waveguide 22 extends linearly from the optical coupler 26 toward the second output port 22a. To do.
  • the first waveguide 21 and the second waveguide 22 extend linearly in the x direction and are spaced apart in the y direction. That is, the first waveguide 21 and the second waveguide 22 extend in the x direction so as to be parallel to each other.
  • the input waveguide 20, the optical coupler 26, the first waveguide 21, and the second waveguide 22 are arranged side by side in the x direction.
  • the length L 1 in the x direction of the input waveguide 20 is about 0.5 mm
  • the length L 2 in the x direction of the optical coupler 26 is about 1 mm
  • the lengths of the first waveguide 21 and the second waveguide 22 are long. It is L 3 is about 2.5 mm.
  • the length of the substrate 12 in the x direction is about 4 mm.
  • the distance between the first emission port 21a and the second emission port 22a is about 50 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • the width of the substrate 12 in the y direction is about 0.4 mm to 0.8 mm.
  • the input waveguide 20, the first waveguide 21, the second waveguide 22, and the optical coupler 26 are not limited to the illustrated structure, and may be configured by other structures.
  • the optical coupler 26 may be a directional coupler, a multimode interference coupler, or a star coupler in addition to the Y branch waveguide as shown. Further, the input waveguide 20, the first waveguide 21, and the second waveguide 22 do not have to be entirely configured in a straight line, and may be configured to include a curved portion.
  • the first heater 31 is provided on the first waveguide 21.
  • the first heater 31 heats the first waveguide 21 and controls the phase of light passing through the first waveguide 21 by changing the optical path length of the first waveguide 21 by the thermo-optic effect.
  • the second heater 32 is provided on the second waveguide 22 and is provided at a position away from the first waveguide 21. The second heater 32 controls the phase of light passing through the second waveguide 22 by heating the second waveguide 22 and changing the optical path length of the second waveguide 22 by the thermo-optic effect.
  • the first heater 31 and the second heater 32 are made of thin films that generate heat when energized, and are made of, for example, a metal containing nickel (Ni), chromium (Cr), or the like, a metal oxide, a metal nitride, or the like.
  • the first heater 31 extends in the x direction along the first waveguide 21.
  • the second heater 32 extends in the x direction along the second waveguide 22.
  • the length L 4 in the x direction of the first heater 31 and the second heater 32 is shorter than the length L 3 of the first waveguide 21 and the second waveguide 22 and is, for example, about 1.5 mm to 2.0 mm. That is, the length in the x direction and the width in the y direction of the first heater 31 and the second heater 32 are the same, and the heating amount and the heating range with respect to power consumption are configured to be equal.
  • the lengths and widths of the first heater 31 and the second heater 32 may be different, or a difference may be provided in the heating amount and heating range with respect to power consumption.
  • the first heat insulating groove 35 is provided between the first heater 31 and the second heater 32.
  • the second heat insulation groove 36 is provided at a position opposite to the first heat insulation groove 35 across the first heater 31, and the third heat insulation groove 37 is opposite to the first heat insulation groove 35 across the second heater 32. It is provided in the position. Therefore, the first heat insulation groove 35 and the second heat insulation groove 36 are provided on both sides of the first heater 31, and the first heat insulation groove 35 and the third heat insulation groove 37 are provided on both sides of the second heater 32. It is done.
  • the first heat insulation groove 35, the second heat insulation groove 36, and the third heat insulation groove 37 extend in the x direction along the first waveguide 21 or the second waveguide 22, and the length in the x direction is the first heater 31. It is the same level as the second heater 32.
  • the length of the 1st heat insulation groove 35, the 2nd heat insulation groove 36, and the 3rd heat insulation groove 37 may be longer than the 1st heater 31 or the 2nd heater 32, and may be short.
  • the length of the 1st heat insulation groove 35, the 2nd heat insulation groove 36, and the 3rd heat insulation groove 37 may respectively be the same, and at least 1 may differ.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the phase modulator shown in FIG. 1, and shows a cross section taken along line AA in FIG.
  • the phase modulator 10 includes a clad layer 14 provided on a substrate 12.
  • the substrate 12 is, for example, a silicon wafer, and the clad layer 14 is made of a material mainly composed of silicon oxide (SiO 2 ).
  • the substrate 12 is fixed to the carrier base material 56 via an adhesive member 54.
  • the clad layer 14 has a lower clad layer 16 provided on the substrate 12 and an upper clad layer 18 provided on the lower clad layer 16.
  • the lower cladding layer 16 is provided so as to have a constant thickness over the entire upper surface 12 a of the substrate 12.
  • the upper clad layer 18 is provided only in a part on the lower clad layer 16, and is provided avoiding the positions of the first heat insulation groove 35, the second heat insulation groove 36, and the third heat insulation groove 37. In other words, a part of the upper cladding layer 18 is removed, and a part of the upper cladding layer 18 is removed so that a side surface of the upper cladding layer 18 is exposed.
  • a heat insulating groove 36 and a third heat insulating groove 37 are formed.
  • the lower cladding layer 16 may not be provided, and the upper surface 12a of the substrate 12 may be exposed at the position of the first heat insulation groove 35, the second heat insulation groove 36, and the third heat insulation groove 37.
  • the upper cladding layer 18 includes a first cladding part 41, a second cladding part 42, and a cladding outer peripheral part 48.
  • the first clad portion 41 is a clad portion provided around the first waveguide 21, and a core portion serving as the first waveguide 21 is provided inside the first clad portion 41.
  • a first heater 31 is provided on the upper surface 41 a of the first cladding part 41.
  • the first clad portion 41 has two side surfaces 41 b and 41 c, one side surface 41 b is exposed to the first heat insulating groove 35, and the other side surface 41 c is exposed to the second heat insulating groove 36.
  • the second cladding part 42 is a cladding part provided around the second waveguide 22, and a core part that becomes the second waveguide 22 is provided inside the second cladding part 42.
  • a second heater 32 is provided on the upper surface 42 a of the second cladding part 42.
  • the second clad portion 42 has two side surfaces 42 b and 42 c, one side surface 42 b is exposed to the first heat insulating groove 35, and the other side surface 42 c is exposed to the third heat insulating groove 37.
  • the clad outer peripheral portion 48 is a portion different from the first clad portion 41 and the second clad portion 42 in the upper clad layer 18, and is a clad portion where the first waveguide 21 and the second waveguide 22 are not formed.
  • a heater is not provided on the upper surface 48 a of the cladding outer periphery 48.
  • the clad outer peripheral portion 48 has an inner side surface 48b and an outer side surface 48c. The inner side surface 48 b of the cladding outer peripheral portion 48 is exposed to the second heat insulating groove 36 or the third heat insulating groove 37.
  • the carrier base material 56 is a member for fixing the phase modulator 10.
  • the carrier base material 56 is provided on the lower surface 12 b side opposite to the upper surface 12 a of the substrate 12.
  • the material of the carrier substrate 56 is not limited, and at least one of a metal material, a resin material, and a ceramic material can be used.
  • As the carrier base material 56 for example, a glass epoxy substrate or an aluminum (Al) substrate can be used.
  • An adhesive member 54 is provided on the substrate 12 and the carrier base material 56.
  • the material of the adhesive member 54 is not particularly limited, and at least one of a resin material and a metal material can be used.
  • As the adhesive member 54 for example, an adhesive tape, a resin adhesive, a silver (Ag) paste, solder, or the like can be used.
  • FIG. 3A and FIG. 3B are diagrams schematically showing the operation of the heater.
  • the phase modulator 10 operates under conditions where the total power consumption of the first heater 31 and the second heater 32 is constant. Thereby, the heating amount as a whole of the phase modulator 10 is made constant so that the temperature of the substrate 12 does not change even when the power consumption of each heater is changed.
  • FIG. 3A shows an example of driving so that no phase difference is generated between the first waveguide 21 and the second waveguide 22.
  • the power consumption amounts of the first heater 31 and the second heater 32 are made the same, and the temperatures of the first waveguide 21 and the second waveguide 22 are made equal.
  • FIG. 3B shows an example in which driving is performed so as to cause a phase difference between the first waveguide 21 and the second waveguide 22.
  • the power consumption of the first heater 31 is reduced and the power consumption of the second heater 32 is increased so that a difference occurs in the temperatures of the first waveguide 21 and the second waveguide 22.
  • is set below the average power P 0 of each heater. Thereby, the heating amount of the entire phase modulator 10 can be made constant, and the temperature of the substrate 12 can be kept constant during the operation of the phase modulator 10.
  • the present invention is not limited to the illustrated driving example, and different control methods may be used as long as the total power consumption of the first heater 31 and the second heater 32 is constant.
  • a difference is made in the power consumption of the first heater 31 and the second heater 32 so that the first waveguide 21 and the second waveguide A phase difference caused by a dimensional difference of the waveguide 22 may be eliminated.
  • the first waveguide 21 and the second waveguide 22 can be reduced. The phase difference between them may be controlled.
  • the phase modulator 10 by providing a plurality of heaters in the phase modulator 10, the power consumption of any one of the heaters is changed while maintaining the total power consumption of the plurality of heaters constant.
  • the phase of the waveguide can be controlled. If there is only one heater provided in the phase modulator, phase control is performed by changing the power consumption of one heater, so the temperature of the entire phase modulator also changes according to the power consumption of the heater. End up.
  • the phase modulator 10 can be operated at a constant operating temperature by making the total power consumption of the plurality of heaters constant. Thereby, the phase modulator 10 can be operated in a thermally stable state.
  • the substrate 12 and the clad layer 14 of the phase modulator 10 have different coefficients of thermal expansion, when the temperature change occurs in the substrate 12, deformation such as warpage occurs due to the difference in coefficient of thermal expansion. It is also conceivable that the substrate 12 is warped due to the difference in thermal expansion coefficient between the substrate 12 and the adhesive member 54.
  • the positions of the first emission port 21a and the second emission port 22a change, and the wavefront state of the light output from the phase modulator 10 also changes. For example, when the interference pattern is generated by causing the first output light 71 and the second output light 72 to interfere with each other, the projection pattern may change due to deformation of the substrate 12.
  • the heat insulating grooves are provided along the first waveguide 21 and the second waveguide 22, the heat of the first heater 31 is efficiently used for heating the first waveguide 21, The heat of the second heater 32 can be efficiently used for heating the second waveguide 22. Thereby, it is possible to realize a heating amount necessary to obtain a desired phase difference with less power consumption.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing the configuration of the fringe projection apparatus 100 according to an embodiment, and shows an application example of the phase modulator 10 described above.
  • the fringe projection apparatus 100 includes a phase modulator 10, a light source 60, a drive unit 62, and a control unit 64.
  • the fringe projection device 100 is a device that projects an interference fringe pattern onto an object, and can be used as an illumination device for measuring the three-dimensional shape of an object or for a microscope.
  • the light source 60 is a solid-state laser light source such as a semiconductor laser element.
  • the light source 60 may include a control mechanism that controls the drive current, the operating temperature, and the like of the light emitting element, and controls the output intensity and output wavelength of the light source 60 to be constant.
  • the control mechanism may include a light receiving element and a driving element for realizing feedback driving according to the output intensity of the light source 60, and a temperature adjusting element such as a Peltier element for adjusting the temperature of the light source 60.
  • the driving unit 62 drives the first heater 31 and the second heater 32 of the phase modulator 10.
  • the drive unit 62 is, for example, a DC power source that varies the output voltage according to a command value from the control unit 64.
  • the control unit 64 controls the output voltage of the drive unit 62 and controls the power consumption of each of the first heater 31 and the second heater 32.
  • the control unit 64 changes the power consumption of the first heater 31 and the second heater 32 under the condition that the total power consumption of the first heater 31 and the second heater 32 is constant, The phase difference between the two waveguides 22 is controlled.
  • the control unit 64 holds correlation information such as mathematical formulas and tables indicating the correlation between the phase difference values of the first waveguide 21 and the second waveguide 22 and the power consumption of the first heater 31 and the second heater 32. Then, the output voltage of the drive unit 62 may be controlled based on the correlation information held.
  • the light from the light source 60 is input to the input waveguide 20 of the phase modulator 10, and after being branched and phase-modulated by the phase modulator 10, the first emission port 21 a and the second emission port 22 a of the phase modulator 10. Is output from.
  • the fringe projection apparatus 100 generates an interference fringe pattern by causing the output light from the phase modulator 10 to interfere with two light beams.
  • the control unit 64 controls the heating amount of the first heater 31 and the second heater 32 by controlling the output voltage of the driving unit 62, and sets the phase difference between the first waveguide 21 and the second waveguide 22. Control.
  • the control unit 64 changes the projection pattern of the interference fringes by changing the phase difference between the first waveguide 21 and the second waveguide 22. For example, the light and dark positions of the generated interference fringe pattern are changed, and the interference fringe pattern is scanned.
  • the fringe projection apparatus 100 can control the scanning amount of the projected interference fringe pattern by controlling the phase difference between the first waveguide 21 and the second waveguide 22.
  • the fringe projection apparatus 100 can be used as an interference fringe pattern projection apparatus in a three-dimensional measurement method called a “fringe scanning method”.
  • a fringe scanning method a plurality of interference fringe patterns whose phase differences given by the phase modulator 10 are changed are projected and imaged, and a plurality of projection images corresponding to the respective interference fringe patterns are analyzed.
  • a three-dimensional shape of the object is derived.
  • the measurement accuracy of three-dimensional shape measurement can be increased by precisely controlling the light and dark positions of the interference fringe pattern.
  • the fringe projection apparatus 100 according to the present embodiment the change in the interference fringe pattern due to the temperature change of the phase modulator 10 and the substrate deformation can be suppressed. More precise control based on the phase difference. Therefore, the measurement accuracy of the three-dimensional shape measurement in the fringe scanning method can be improved by applying the fringe projection apparatus 100 according to the present embodiment to the fringe scanning method.
  • the fringe projection apparatus 100 may be applied to a microscope using a so-called “structured illumination method”.
  • the structured illumination method is a microscope technique that achieves higher resolution than an optical microscope using uniform illumination light by using illumination light having a pattern such as a stripe pattern or moire. According to the present embodiment, since the interference fringe pattern generated by the fringe projection apparatus 100 can be controlled more precisely, the resolution of the structured illumination microscope can be improved.
  • the fringe projection apparatus 100 may be applied to structured illumination for measuring optical characteristics such as reflection and scattering of an object.
  • FIG. 5 is a top view schematically showing the configuration of the phase modulator 110 according to the modification.
  • 6 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the phase modulator 110 in FIG. 5, and shows a cross section taken along line BB in FIG.
  • This modification differs from the above-described embodiment in that the second heater 132 is provided not at the second waveguide 22 but at a position away from both the first waveguide 21 and the second waveguide 22. .
  • this modified example will be described focusing on differences from the above-described embodiment.
  • the phase modulator 110 includes a substrate 12, an input waveguide 20, a first waveguide 21, a second waveguide 22, an optical coupler 26, a first heater 31, a second heater 132, and a first heat insulation. A groove 35, a second heat insulation groove 36, and a third heat insulation groove 37 are provided.
  • the phase modulator 110 includes a cladding layer 14 provided on the substrate 12.
  • the second heater 132 is provided on the upper surface 48 a of the cladding outer peripheral portion 48, not on the second cladding portion 42 where the second waveguide 22 is provided. Therefore, the second heater 132 heats a position different from the first waveguide 21 and the second waveguide 22, specifically, the cladding outer peripheral portion 48.
  • the first heater 31 and the second heater 132 are driven so that the total power consumption is constant.
  • the heating amount of the first waveguide 21 is changed, and the phase of the first waveguide 21 is controlled.
  • the power consumption of the second heater 132 so as to cancel out the change in the power consumption of the first heater 31
  • the total heating amount of the phase modulator 110 is made constant, and the temperature of the substrate 12 is changed. Suppress changes. Therefore, also in this modification, the same effect as the above-mentioned embodiment can be produced.
  • the second heater 132 is disposed on both sides of the first waveguide 21 and the second waveguide 22, but the second heater 132 may be disposed only on either one side. .
  • the second heaters 132 may not be arranged so as to extend in the x direction, but may be arranged in a distributed manner at positions that do not overlap the first waveguide 21 and the second waveguide 22.
  • the second heaters 132 may be disposed at the four corners of the cladding layer 14.
  • FIG. 7 is a top view schematically showing the configuration of the phase modulator 210 according to the modification.
  • This modification differs from the above-described embodiment in that the waveguide structure formed on the substrate 12 has one input and four outputs. This modification will be described focusing on differences from the above-described embodiment.
  • the phase modulator 210 includes a substrate 12, an input waveguide 220, a first waveguide 221, a second waveguide 222, a third waveguide 223, a fourth waveguide 224, an optical coupler 226, 1 heater 231, second heater 232, fourth heater 234, and a plurality of heat insulation grooves 235.
  • the input waveguide 220 is coupled to the optical fiber 52 via the fiber block 50 and receives the input light 70 from the light source 60, for example.
  • the optical coupler 226 is a so-called star coupler, and branches the light from the input waveguide 220 into the first waveguide 221, the second waveguide 222, the third waveguide 223, and the fourth waveguide 224.
  • the first waveguide 221, the second waveguide 222, the third waveguide 223, and the fourth waveguide 224 extend from the optical coupler 226 in the x direction.
  • the first heater 231 is provided on the first waveguide 221 and selectively heats the first waveguide 221 to control the phase of the first waveguide 221.
  • the second heater 232 is provided on the second waveguide 222 and selectively heats the second waveguide 222 to control the phase of the second waveguide 222.
  • the third heater 233 is provided on the third waveguide 223 and selectively heats the third waveguide 223 to control the phase of the third waveguide 223.
  • the fourth heater 234 is provided on the fourth waveguide 224 and selectively heats the fourth waveguide 224 to control the phase of the fourth waveguide 224.
  • Heat insulation grooves 235 are provided on both sides of each heater 231, 232, 233, 234.
  • the power consumption of each heater is controlled under the condition that the total power consumption of the plurality of heaters 231 to 234 is constant.
  • the four heaters for example, based on the phase of the fourth waveguide 224, phase difference [delta] 1 of the first waveguide 221, the phase difference [delta] 2 and of the second waveguide 222
  • the phase difference ⁇ 3 of the third waveguide 223 can be controlled independently, and the total power consumption can be made constant.
  • the heating amount of each heater can be calculated by solving simultaneous equations based on these three phase differences ⁇ 1 , ⁇ 2 , and ⁇ 3 .
  • the light phase-modulated by the first waveguide 221 is output as the first output light 271.
  • the light phase-modulated by the second waveguide 222 is output as the second output light 272
  • the light phase-modulated by the third waveguide 223 is output as the third output light 273, and the fourth guide light is output.
  • the light phase-modulated by the waveguide 224 is output as the fourth output light 274.
  • the four output lights from the phase modulator 210 generate multi-beam interference to generate an interference pattern. According to this modification, since the phase of each waveguide can be precisely controlled by suppressing the temperature change of the phase modulator 210, the shape of the generated interference pattern can be controlled more strictly.
  • the case of one input and four outputs is shown, but the number of outputs of the waveguide structure is not particularly limited, and any number can be taken.
  • a 1-input 3-output configuration or a 1-input 8-output configuration may be used.
  • FIG. 8 is a top view schematically showing the configuration of the phase modulator 310 according to the modification.
  • This modification is different from the above-described embodiment in that two waveguide structures with one input and two outputs are provided on the same substrate 12.
  • this modified example will be described focusing on differences from the above-described embodiment.
  • the phase modulator 310 includes a substrate 12, a first input path 320, a second input path 325, a first waveguide 321, a second waveguide 322, a third waveguide 323, and a fourth waveguide 324.
  • the first input path 320 is coupled to the first optical fiber 352 via the fiber block 350.
  • the light input to the first input path 320 is branched into the first waveguide 321 and the second waveguide 322 by the first optical coupler 326.
  • the second input path 325 is coupled to the second optical fiber 353 via the fiber block 350.
  • the light input to the second input path 325 is branched into the third waveguide 323 and the fourth waveguide 324 by the second optical coupler 327.
  • Corresponding heaters 331, 332, 333, and 334 are provided on each of the first waveguide 321, the second waveguide 322, the third waveguide 323, and the fourth waveguide 324.
  • Heat insulation grooves 335 are provided on both sides of the heaters 331 to 334.
  • the first input light 370 input to the first input path 320 is branched by the first optical coupler 326, phase-modulated, and output as the first output light 371 and the second output light 372.
  • the first output light 371 and the second output light 372 generate an interference fringe pattern by two-beam interference.
  • the second input light 375 input to the second input path 325 is branched by the second optical coupler 327, phase-modulated, and output as the third output light 373 and the fourth output light 374.
  • the third output light 373 and the fourth output light 374 generate an interference fringe pattern by two-beam interference.
  • the first input light 370 and the second input light 375 are different from each other in at least one of optical characteristics such as wavelength, intensity, and phase.
  • the interference fringe pattern based on the first input light 370 and the interference fringe pattern based on the second input light 375 are superimposed.
  • a moire pattern can be generated by superimposing two interference fringe patterns having different brightness and darkness widths. Note that the first input light 370 and the second input light 375 may be input independently, and only the interference fringe pattern based on one of the input lights may be generated.
  • the generated interference fringe pattern or moire pattern can be controlled more precisely by driving each heater so that the total power consumption of the plurality of heaters is constant.
  • the configuration in which the heat insulating grooves are provided on both sides of each heater in order to increase the heating efficiency of the waveguide is shown.
  • the heat insulating groove may be provided only for some of the heaters, or the heat insulating groove may not be provided.
  • a heat insulating groove may be provided only at a position between adjacent heaters.
  • the waveguide structure in which the input light is branched into a plurality of parts and the heater is provided in the branched waveguide is shown.
  • a plurality of heaters may be provided in a linear waveguide structure with one input and one output, and the total power consumption of the plurality of heaters may be made constant.
  • the first heater is provided on the waveguide, while the second heater is provided at a position away from the waveguide.
  • phase modulation using the thermo-optic effect can be realized while suppressing a temperature change as the entire waveguide structure by using a plurality of heaters.
  • the above technique may be applied to an optical switch using a Mach-Zehnder interferometer.
  • the first heater may be disposed on the first waveguide of the Mach-Zehnder interferometer, and the second heater may be disposed on the second waveguide.
  • the first heater may be disposed on the first waveguide of the Mach-Zehnder interferometer, while the second heater may be disposed at a position away from both the first waveguide and the second waveguide.
  • SYMBOLS 10 Phase modulator, 12 ... Board
  • deformation of the phase modulator due to heating can be suppressed.

Abstract

位相変調器１０は、基板１２上に設けられ、少なくとも第１導波路２１を含む一以上の導波路と、基板１２上に設けられる複数のヒータとを備える。複数のヒータは、第１導波路２１を加熱する第１ヒータ３１と、第１導波路２１から離れた位置を加熱する第２ヒータ３２とを含み、複数のヒータの消費電力の合計が一定となるよう駆動される。複数のヒータは、第１ヒータ３１の消費電力の変化量と第２ヒータ３２の消費電力の変化量とが相殺されるよう駆動されてもよい。

Description

位相変調器、位相変調器の制御方法および縞投影装置
　本発明は、位相変調器、位相変調器の制御方法および縞投影装置に関する。
　対象物の三次元形状を計測する方法として、対象物にレーザの干渉縞を投影し、干渉縞の投影像を撮像して解析することにより対象物表面の凹凸情報を演算する「縞走査法」といわれる技術が知られている。縞走査法では、干渉縞の走査量と投影像の各点の光強度の変化から各点での凹凸の深さ及び高さが求められる。干渉縞の走査量は、干渉させる二以上の光束の位相差を変えることで制御される。例えば、二分岐された光導波路の一方の位相を電気光学効果等を利用して変化させることにより、投影される干渉縞の走査量が制御される（例えば、特許文献１参照）。
　また、対象物の散乱特性を計測する方法として、位相の異なる複数の正弦波パターン光を投射し、対象物からの鏡面反射成分、１次散乱反射成分および多重散乱反射成分を分離して撮像する「構造化照明法」といわれる技術がある。この手法では、パターンを有する構造化された照明を用いることにより、異なる反射成分の光を分離して取得することができる。複数の正弦波パターン光は、パターンの位相値を変化させる位相シフト法により生成される（例えば、特許文献２参照）。
特開平５－８７５４３号公報 特開２０１５－１３２５０９号公報
　光導波路の位相変化に電気光学効果を用いる場合、ニオブ酸リチウムなどの特殊な材料を必要とする。一方、熱光学効果を用いれば、シリコン基板上に形成される一般的な石英系の材料のみで位相変調器を構成することができる。しかしながら、シリコン基板上の光導波路の温度を変化させた場合、基板と光導波路の熱膨張率差等に起因して反りなどの変形が生じ、干渉縞の投影位置が変化するおそれがある。光導波路の位相変化とは異なる要因で干渉縞の投影位置が変化してしまうと計測精度の低下につながる。
　本発明はかかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、加熱による変形を抑制させた位相変調器を提供することにある。
　本発明のある態様の位相変調器は、基板上に設けられ、少なくとも第１導波路を含む一以上の導波路と、基板上に設けられる複数のヒータと、を備える。複数のヒータは、第１導波路を加熱する第１ヒータと、第１導波路から離れた位置を加熱する第２ヒータとを含み、複数のヒータの消費電力の合計が一定となるよう駆動される。
　本発明の別の態様は、位相変調器の制御方法である。位相変調器は、基板上に設けられ、少なくとも第１導波路を含む一以上の導波路と、基板上に設けられ、第１導波路を加熱する第１ヒータと、第１導波路から離れた位置を加熱する第２ヒータとを含む複数のヒータと、を備える。この方法は、複数のヒータの消費電力の合計を一定とする条件下で第１ヒータの消費電力を変化させて第１導波路の位相を制御する。
　本発明のさらに別の態様は、縞投影装置である。この装置は、同一基板上に設けられる第１導波路と、第２導波路と、第１ヒータおよび第２ヒータを含む複数のヒータとを有し、第１ヒータが第１導波路を加熱し、第２ヒータが第１導波路から離れた位置を加熱するよう構成される位相変調器と、第１導波路および第２導波路に入力される光を生成する光源と、複数のヒータの消費電力の合計を一定とする条件下で第１ヒータの消費電力を変化させて第１導波路と第２導波路の位相差を制御し、第１導波路および第２導波路から出力される光の干渉により生成される干渉縞の投影パターンを制御する制御部と、を備える。
　なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システム、などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
　本発明のある態様によれば、加熱による位相変調器の変形を抑制できる。
ある実施の形態に係る位相変調器の構成を模式的に示す上面図である。 図１の位相変調器の構成を模式的に示す断面図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は、ヒータの動作を模式的に示す図である。 ある実施の形態に係る縞投影装置の構成を模式的に示す図である。 変形例に係る位相変調器の構成を模式的に示す上面図である。 図５の位相変調器の構成を模式的に示す断面図である。 変形例に係る位相変調器の構成を模式的に示す上面図である。 変形例に係る位相変調器の構成を模式的に示す上面図である。
　はじめに、本発明に係るいくつかの実施の形態の概要を説明する。
　ある態様の位相変調器は、基板上に設けられ、少なくとも第１導波路を含む一以上の導波路と、基板上に設けられる複数のヒータとを備える。複数のヒータは、第１導波路を加熱する第１ヒータと、第１導波路から離れた位置を加熱する第２ヒータとを含み、複数のヒータの消費電力の合計が一定となるよう駆動される。
　この態様によると、第１導波路の位相変化のために第１導波路を加熱する第１ヒータの消費電力を変化させたとしても、基板上に設けられる複数のヒータの消費電力が一定となるように駆動されるため、基板全体の加熱量を一定に保つことができる。第１ヒータの加熱量の変化による基板温度の変化を抑制することで、基板と導波路の熱膨張率差に起因して基板に反りなどの変形が生じるのを防ぐことができる。
　一以上の導波路は、第１導波路と異なる第２導波路を含んでもよい。第２ヒータは、第２導波路を加熱してもよい。
　一以上の導波路は、第１導波路と異なる第２導波路を含んでもよい。第２ヒータは、第１導波路および第２導波路の双方から離れた位置を加熱してもよい。
　一以上の導波路は、基板上のクラッド層内に設けられ、第１ヒータおよび第２ヒータは、クラッド層上に設けられており、第１ヒータと第２ヒータの間に設けられ、クラッド層の側面が露出するよう形成される断熱溝をさらに備えてもよい。
　基板上に設けられ、一以上の導波路と接続される光カプラをさらに備えてもよい。光カプラは、Ｙ分岐導波路、方向性結合器、マルチモード干渉カプラ、または、スターカプラであってもよい。
　第１ヒータの消費電力の変化量と第２ヒータの消費電力の変化量とが相殺されるよう駆動されてもよい。
　本発明の別の態様は、制御方法である。この方法は、位相変調器の制御方法であって、位相変調器は、基板上に設けられ、少なくとも第１導波路を含む一以上の導波路と、基板上に設けられ、第１導波路を加熱する第１ヒータと、第１導波路から離れた位置を加熱する第２ヒータとを含む複数のヒータと、を備える。複数のヒータの消費電力の合計を一定とする条件下で第１ヒータの消費電力を変化させて第１導波路の位相を制御する。
　この態様によると、第１導波路の位相変化のために第１導波路を加熱する第１ヒータの消費電力を変化させたとしても、基板上に設けられる複数のヒータの消費電力が一定となるように駆動されるため、基板全体の加熱量を一定に保つことができる。第１ヒータの加熱量の変化による基板温度の変化を抑制することで、基板と導波路の熱膨張率差に起因して基板に反りなどの変形が生じるのを防ぐことができる。
　本発明のさらに別の態様は、縞投影装置である。この装置は、同一基板上に設けられる第１導波路と、第２導波路と、第１ヒータおよび第２ヒータを含む複数のヒータとを有し、第１ヒータが第１導波路を加熱し、第２ヒータが第１導波路から離れた位置を加熱するよう構成される位相変調器と、第１導波路および第２導波路に入力される光を生成する光源と、複数のヒータの消費電力の合計を一定とする条件下で第１ヒータの消費電力を変化させて第１導波路と第２導波路の位相差を制御し、第１導波路および第２導波路から出力される光の干渉により生成される干渉縞の投影パターンを制御する制御部と、を備える。
　この態様によると、第１導波路の位相変化のために第１ヒータの加熱量を変化させる場合であっても、基板全体の加熱量を一定に保ち、基板と導波路の熱膨張率差に起因して基板に反りなどの変形が生じるのを抑制できる。これにより、基板変形による第１導波路および第２導波路の出射位置の変化を抑制し、第１導波路と第２導波路の間の位相差以外の要因による干渉縞の投影パターンの変化を抑制できる。したがって、本態様によれば、干渉縞の投影パターンをより精密に制御することができる。
　以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。
　図１は、実施の形態に係る位相変調器１０の構成を模式的に示す上面図である。位相変調器１０は、１入力２出力のＹ分岐型の導波路構造を有し、入力光７０を分岐させて位相変調を施し、第１出力光７１および第２出力光７２を出力する。位相変調器１０は、いわゆる平面型光集積回路（ＰＬＣ；Planar Lightwave Circuit）であり、例えば、シリコン基板上に石英系の材料を用いて導波路構造が形成される。
　位相変調器１０は、基板１２と、入力導波路２０と、第１導波路２１と、第２導波路２２と、光カプラ２６と、第１ヒータ３１と、第２ヒータ３２と、第１断熱溝３５と、第２断熱溝３６と、第３断熱溝３７とを備える。
　入力導波路２０、第１導波路２１、第２導波路２２および光カプラ２６は、基板１２の上に設けられる導波路構造である。入力導波路２０は、ファイバブロック５０を介して光ファイバ５２と結合されている。入力導波路２０に入力される光は、光カプラ２６において第１導波路２１と第２導波路２２に分岐される。第１導波路２１は、光カプラ２６から第１出射口２１ａに向けて直線状に延在し、第２導波路２２は、光カプラ２６から第２出射口２２ａに向けて直線状に延在する。
　図示する例において、第１導波路２１および第２導波路２２は、ｘ方向に直線状に延在し、ｙ方向に離れて配置されている。つまり、第１導波路２１および第２導波路２２は、互いに平行となるようにしてｘ方向に延在する。また、入力導波路２０と、光カプラ２６と、第１導波路２１および第２導波路２２とは、ｘ方向に順に並んで配置されている。入力導波路２０のｘ方向の長さＬ１は０．５ｍｍ程度であり、光カプラ２６のｘ方向の長さＬ２は１ｍｍ程度であり、第１導波路２１および第２導波路２２の長さＬ３は２．５ｍｍ程度である。基板１２のｘ方向の長さは４ｍｍ程度である。第１出射口２１ａと第２出射口２２ａの距離は、５０μｍ～１００μｍ程度である。基板１２のｙ方向の幅は０．４ｍｍ～０．８ｍｍ程度である。
　なお、入力導波路２０、第１導波路２１、第２導波路２２および光カプラ２６は図示される構造に限られず、他の構造により構成されてもよい。光カプラ２６は、図示されるようなＹ分岐導波路の他、方向性結合器、マルチモード干渉カプラまたはスターカプラであってもよい。また、入力導波路２０、第１導波路２１および第２導波路２２は、全体が直線状に構成されなくてもよく、曲線部を含むように構成されてもよい。
　第１ヒータ３１は、第１導波路２１の上に設けられる。第１ヒータ３１は、第１導波路２１を加熱し、熱光学効果によって第１導波路２１の光路長を変化させて第１導波路２１を通る光の位相を制御する。第２ヒータ３２は、第２導波路２２の上に設けられ、第１導波路２１から離れた位置に設けられる。第２ヒータ３２は、第２導波路２２を加熱し、熱光学効果によって第２導波路２２の光路長を変化させて第２導波路２２を通る光の位相を制御する。第１ヒータ３１および第２ヒータ３２は、通電により発熱する薄膜で構成され、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）などを含む金属や、金属酸化物、金属窒化物等で構成される。
　第１ヒータ３１は、第１導波路２１に沿ってｘ方向に延在する。第２ヒータ３２は、第２導波路２２に沿ってｘ方向に延在する。第１ヒータ３１および第２ヒータ３２のｘ方向の長さＬ４は、第１導波路２１および第２導波路２２の長さＬ３より短く、例えば１．５ｍｍ～２．０ｍｍ程度である。つまり、第１ヒータ３１と第２ヒータ３２のｘ方向の長さやｙ方向の幅は同じであり、消費電力に対する加熱量および加熱範囲が同等となるように構成される。なお、第１ヒータ３１と第２ヒータ３２の長さや幅が異なっていてもよいし、消費電力に対する加熱量や加熱範囲に差が設けられてもよい。
　第１断熱溝３５は、第１ヒータ３１と第２ヒータ３２の間に設けられる。第２断熱溝３６は、第１ヒータ３１を挟んで第１断熱溝３５と反対側の位置に設けられ、第３断熱溝３７は、第２ヒータ３２を挟んで第１断熱溝３５と反対側の位置に設けられる。したがって、第１ヒータ３１を挟んだ両側には第１断熱溝３５と第２断熱溝３６が設けられ、第２ヒータ３２を挟んだ両側には第１断熱溝３５と第３断熱溝３７が設けられる。
　第１断熱溝３５、第２断熱溝３６および第３断熱溝３７は、第１導波路２１または第２導波路２２に沿ってｘ方向に延在し、ｘ方向の長さが第１ヒータ３１および第２ヒータ３２と同程度である。なお、第１断熱溝３５、第２断熱溝３６および第３断熱溝３７の長さは、第１ヒータ３１または第２ヒータ３２より長くてもよいし、短くてもよい。また、第１断熱溝３５、第２断熱溝３６および第３断熱溝３７の長さは、それぞれが同じであってもよいし、少なくとも一つが異なってもよい。
　図２は、図１の位相変調器の構成を模式的に示す断面図であり、図１のＡ－Ａ線断面を示す。位相変調器１０は、基板１２の上に設けられるクラッド層１４を備える。基板１２は、例えばシリコンウェハであり、クラッド層１４は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）を主体とする材料で構成される。基板１２は、接着部材５４を介してキャリア基材５６に固定されている。
　クラッド層１４は、基板１２の上に設けられる下部クラッド層１６と、下部クラッド層１６の上に設けられる上部クラッド層１８と、を有する。下部クラッド層１６は、基板１２の上面１２ａの全体にわたって一定の厚みを有するように設けられる。上部クラッド層１８は、下部クラッド層１６の上の一部にのみ設けられ、第１断熱溝３５、第２断熱溝３６および第３断熱溝３７の位置を避けて設けられる。逆の言い方をすれば、上部クラッド層１８の一部は除去されており、上部クラッド層１８の一部が除去されて上部クラッド層１８の側面が露出するように第１断熱溝３５、第２断熱溝３６および第３断熱溝３７が形成される。なお、下部クラッド層１６が設けられなくてもよく、第１断熱溝３５、第２断熱溝３６および第３断熱溝３７の位置で基板１２の上面１２ａが露出してもよい。
　上部クラッド層１８は、第１クラッド部４１と、第２クラッド部４２と、クラッド外周部４８とを含む。第１クラッド部４１は、第１導波路２１の周囲に設けられるクラッド部分であり、第１クラッド部４１の内側に第１導波路２１となるコア部が設けられる。第１クラッド部４１の上面４１ａには第１ヒータ３１が設けられる。第１クラッド部４１は、二つの側面４１ｂ，４１ｃを有し、一方の側面４１ｂが第１断熱溝３５に露出し、他方の側面４１ｃが第２断熱溝３６に露出している。
　第２クラッド部４２は、第２導波路２２の周囲に設けられるクラッド部分であり、第２クラッド部４２の内側に第２導波路２２となるコア部が設けられる。第２クラッド部４２の上面４２ａには第２ヒータ３２が設けられる。第２クラッド部４２は、二つの側面４２ｂ，４２ｃを有し、一方の側面４２ｂが第１断熱溝３５に露出し、他方の側面４２ｃが第３断熱溝３７に露出している。
　クラッド外周部４８は、上部クラッド層１８のうち第１クラッド部４１および第２クラッド部４２とは異なる部分であり、第１導波路２１および第２導波路２２が形成されないクラッド部分である。クラッド外周部４８の上面４８ａにはヒータが設けられていない。クラッド外周部４８は、内側面４８ｂと外側面４８ｃとを有する。クラッド外周部４８の内側面４８ｂは、第２断熱溝３６または第３断熱溝３７に露出している。
　キャリア基材５６は、位相変調器１０を固定するための部材である。キャリア基材５６は、基板１２の上面１２ａとは反対側の下面１２ｂ側に設けられる。キャリア基材５６の材料は問わず、金属材料、樹脂材料およびセラミック材料の少なくとも一つを用いることができる。キャリア基材５６として、例えば、ガラスエポキシ基板やアルミニウム（Ａｌ）基板を用いることができる。基板１２とキャリア基材５６には接着部材５４が設けられる。接着部材５４の材料も特に問わず、樹脂材料および金属材料の少なくとも一つを用いることができる。接着部材５４として、例えば、粘着性テープ、樹脂接着剤、銀（Ａｇ）ペースト、半田などを用いることができる。
　つづいて、位相変調器１０の動作について説明する。図３（ａ）及び図３（ｂ）は、ヒータの動作を模式的に示す図である。位相変調器１０は、第１ヒータ３１と第２ヒータ３２の消費電力の合計を一定とする条件下で動作する。これにより、位相変調器１０の全体としての加熱量が一定となるようにし、各ヒータの消費電力を変化させる場合であっても、基板１２の温度が変わらないようにする。
　図３（ａ）は、第１導波路２１と第２導波路２２の間に位相差が生じないように駆動する例を示す。この場合、第１ヒータ３１および第２ヒータ３２のそれぞれの消費電力量を同じにし、第１導波路２１と第２導波路２２の温度が等しくなるようにする。例えば、第１ヒータ３１の消費電力量Ｐ１と第２ヒータ３２の消費電力量Ｐ２のそれぞれが基準電力量Ｐ０に等しくなるように、つまり、Ｐ１＝Ｐ２＝Ｐ０となるように駆動され、合計の消費電力量はＰ１＋Ｐ２＝２Ｐ０となる。
　図３（ｂ）は、第１導波路２１と第２導波路２２の間に位相差を生じさせるように駆動する例を示す。この場合、第１ヒータ３１の消費電力量を減らし、第２ヒータ３２の消費電力量を増やすことで、第１導波路２１と第２導波路２２の温度に差が生じるようにする。また、第１ヒータ３１の消費電力の変化量（－ΔＰ）と第２ヒータ３２の消費電力の変化量（＋ΔＰ）とが相殺されるようにする。つまり、Ｐ１＝Ｐ０－ΔＰ，Ｐ２＝Ｐ０＋ΔＰとなるように駆動され、合計の消費電力量はＰ１＋Ｐ２＝２Ｐ０となる。なお、消費電力の変化量の絶対値｜ΔＰ｜は、各ヒータの平均消費電力Ｐ０以下に設定される。これにより、位相変調器１０全体としての加熱量を一定にし、位相変調器１０の動作中において基板１２の温度を一定に維持できる。
　なお、図示する駆動例に限られず、第１ヒータ３１と第２ヒータ３２の消費電力の合計を一定とする条件下であれば、異なる制御方法を用いてもよい。例えば、第１導波路２１と第２導波路２２の位相差をゼロにするために、第１ヒータ３１と第２ヒータ３２の消費電力量に差を設け、第１導波路２１と第２導波路２２の寸法差等に起因する位相差が解消されるようにしてもよい。また、図３（ｂ）の例とは逆に、第１ヒータ３１の消費電力を増加させ、第２ヒータ３２の消費電力を減少させることにより、第１導波路２１と第２導波路２２の間の位相差を制御してもよい。
　本実施の形態によれば、位相変調器１０に複数のヒータを設けることで、複数のヒータの消費電力の合計を一定に維持しつつ、いずれか一つのヒータの消費電力量を変化させて導波路の位相を制御することができる。仮に、位相変調器に設けられるヒータが一つだけの場合、一つのヒータの消費電力を変化させて位相制御がなされるため、ヒータの消費電力量に応じて位相変調器全体の温度も変化してしまう。一方、本実施の形態では、複数のヒータの消費電力の合計を一定にすることで、一定の動作温度下で位相変調器１０を動作させることができる。これにより、位相変調器１０を熱的に安定した状態で動作させることができる。
　また、位相変調器１０の基板１２とクラッド層１４は熱膨張率が異なるため、基板１２に温度変化が生じると熱膨張率差に起因して基板１２に反りなどの変形が生じる。また、基板１２と接着部材５４の熱膨張率差に起因して基板１２に反りが生じることも考えられる。基板１２が変形すると、第１出射口２１ａおよび第２出射口２２ａの位置が変化するため、位相変調器１０から出力される光の波面の状態も変化してしまう。例えば、第１出力光７１および第２出力光７２を干渉させて干渉縞の投影パターンを生成する場合、基板１２の変形に起因して投影パターンが変化しうる。また、基板１２の変形によって第１導波路２１および第２導波路２２に応力が加わり、光弾性効果によって第１導波路２１と第２導波路２２の位相差が変化することも考えられる。一方、本実施の形態によれば、温度変化に起因する基板の反りを抑制し、基板変形による投影パターンの変化を抑えることができる。これにより、位相変調器１０から出力される光の波面の状態をより精密に制御することができる。
　本実施の形態によれば、第１導波路２１および第２導波路２２に沿って断熱溝が設けられるため、第１ヒータ３１の熱を第１導波路２１の加熱に効率的に用いるとともに、第２ヒータ３２の熱を第２導波路２２の加熱に効率的に用いることができる。これにより、より少ない消費電力で所望の位相差を得るのに必要な加熱量を実現できる。
　図４は、ある実施の形態に係る縞投影装置１００の構成を模式的に示す図であり、上述の位相変調器１０の応用例を示す。縞投影装置１００は、位相変調器１０と、光源６０と、駆動部６２と、制御部６４とを備える。縞投影装置１００は、対象物に干渉縞パターンを投影する装置であり、対象物の三次元形状計測や顕微鏡のための照明装置として用いることができる。
　光源６０は、半導体レーザ素子などの固体レーザ光源である。光源６０の出力波長は特に限定されないが、例えば、波長λ＝６３５ｎｍの赤色光を用いることができる。光源６０は、発光素子の駆動電流や動作温度などを制御し、光源６０の出力強度および出力波長が一定となるように制御する制御機構が含まれてもよい。この制御機構は、光源６０の出力強度に応じたフィードバック駆動を実現するための受光素子および駆動素子と、光源６０の温度を調整するためのペルチェ素子といった温度調整素子とを有してもよい。このような制御機構を設けることで、光源６０の出力波長を安定化させ、生成される干渉縞パターンの明暗周期の変化を抑制できる。
　駆動部６２は、位相変調器１０の第１ヒータ３１および第２ヒータ３２を駆動する。駆動部６２は、例えば、制御部６４からの指令値に応じて出力電圧を可変とする直流電源である。制御部６４は、駆動部６２の出力電圧を制御し、第１ヒータ３１および第２ヒータ３２のそれぞれの消費電力を制御する。制御部６４は、第１ヒータ３１と第２ヒータ３２の消費電力の合計を一定とする条件下で、第１ヒータ３１および第２ヒータ３２の消費電力を変化させ、第１導波路２１と第２導波路２２の位相差を制御する。制御部６４は、第１導波路２１と第２導波路２２の位相差の値と、第１ヒータ３１および第２ヒータ３２の消費電力量との相関を示す数式やテーブルなどの相関情報を保持し、保持する相関情報に基づいて駆動部６２の出力電圧を制御してもよい。
　光源６０からの光は、位相変調器１０の入力導波路２０に入力され、位相変調器１０にて分岐および位相変調された後、位相変調器１０の第１出射口２１ａおよび第２出射口２２ａから出力される。縞投影装置１００は、位相変調器１０からの出力光を二光束干渉させて干渉縞パターンを生成する。制御部６４は、駆動部６２の出力電圧を制御することにより、第１ヒータ３１および第２ヒータ３２の加熱量を制御し、第１導波路２１と第２導波路２２の間の位相差を制御する。制御部６４は、第１導波路２１と第２導波路２２の間の位相差を変化させることにより干渉縞の投影パターンを変化させる。例えば、生成される干渉縞パターンの明暗位置を変化させ、干渉縞パターンを走査させる。縞投影装置１００は、第１導波路２１と第２導波路２２の間の位相差を制御することにより、投影する干渉縞パターンの走査量を制御することができる。
　縞投影装置１００は、いわゆる「縞走査法」といわれる三次元計測方法における干渉縞パターンの投影装置として用いることができる。縞走査法では、位相変調器１０により与えられる位相差を変化させた複数の干渉縞パターンを対象物に投影して撮像し、それぞれの干渉縞パターンに対応する複数の投影像を解析することにより対象物の三次元形状が導出される。縞走査法では、干渉縞パターンの明暗位置を精密に制御することにより、三次元形状計測の測定精度を高めることができる。本実施の形態に係る縞投影装置１００によれば、位相変調器１０の温度変化および基板変形に起因する干渉縞パターンの変化を抑制できるため、干渉縞パターンの明暗位置を位相変調器１０の位相差に基づいてより厳密に制御できる。したがって、本実施の形態に係る縞投影装置１００を縞走査法に適用することで、縞走査法における三次元形状計測の測定精度を向上させることができる。
　縞投影装置１００は、いわゆる「構造化照明法」を用いる顕微鏡に適用してもよい。構造化照明法は、縞模様やモアレ等のパターンを有する照明光を用いることにより、一様な照明光を用いる光学顕微鏡と比べて高解像度を実現する顕微鏡技術である。本実施の形態によれば、縞投影装置１００が生成する干渉縞パターンをより精密に制御できるため、構造化照明顕微鏡の解像度を向上させることができる。その他、対象物の反射や散乱といった光学特性を計測するための構造化照明に縞投影装置１００を適用してもよい。
（変形例１）
　図５は、変形例に係る位相変調器１１０の構成を模式的に示す上面図である。図６は、図５の位相変調器１１０の構成を模式的に示す断面図であり、図５のＢ－Ｂ線断面を示す。本変形例では、第２ヒータ１３２が第２導波路２２の上ではなく、第１導波路２１および第２導波路２２の双方から離れた位置に設けられる点で上述の実施の形態と相違する。以下、本変形例について上述の実施の形態との相違点を中心に説明する。
　位相変調器１１０は、基板１２と、入力導波路２０と、第１導波路２１と、第２導波路２２と、光カプラ２６と、第１ヒータ３１と、第２ヒータ１３２と、第１断熱溝３５と、第２断熱溝３６と、第３断熱溝３７とを備える。位相変調器１１０は、基板１２の上に設けられるクラッド層１４を備える。第２ヒータ１３２は、第２導波路２２が設けられる第２クラッド部４２ではなく、クラッド外周部４８の上面４８ａに設けられる。したがって、第２ヒータ１３２は、第１導波路２１および第２導波路２２とは異なる位置、具体的にはクラッド外周部４８を加熱する。
　本変形例においても、第１ヒータ３１および第２ヒータ１３２は消費電力の合計が一定となるように駆動される。第１ヒータ３１の消費電力を変化させることにより、第１導波路２１の加熱量を変化させ、第１導波路２１の位相を制御する。一方、第１ヒータ３１の消費電力の変化量を相殺するように第２ヒータ１３２の消費電力を変化させることで、位相変調器１１０の全体の加熱量が一定となるようにし、基板１２の温度変化を抑制する。したがって、本変形例においても上述の実施の形態と同様の効果を奏することができる。
　図示する例では、第２ヒータ１３２が第１導波路２１および第２導波路２２を挟んだ両側にそれぞれ配置されているが、第２ヒータ１３２がいずれか一方の側にのみ配置されてもよい。第２ヒータ１３２がｘ方向に延在するように配置されるのではなく、第１導波路２１および第２導波路２２と重ならない位置に分散して複数配置されてもよい。例えば、クラッド層１４の四隅に第２ヒータ１３２を配置してもよい。
（変形例２）
　図７は、変形例に係る位相変調器２１０の構成を模式的に示す上面図である。本変形例では、基板１２の上に形成される導波路構造が１入力４出力となっている点で上述の実施の形態と相違する。本変形例について上述の実施の形態との相違点を中心に説明する。
　位相変調器２１０は、基板１２と、入力導波路２２０と、第１導波路２２１と、第２導波路２２２と、第３導波路２２３と、第４導波路２２４と、光カプラ２２６と、第１ヒータ２３１と、第２ヒータ２３２と、第４ヒータ２３４と、複数の断熱溝２３５とを備える。
　入力導波路２２０は、ファイバブロック５０を介して光ファイバ５２と結合されており、例えば光源６０からの入力光７０を受ける。光カプラ２２６は、いわゆるスターカプラであり、入力導波路２２０からの光を第１導波路２２１、第２導波路２２２、第３導波路２２３および第４導波路２２４に分岐する。第１導波路２２１、第２導波路２２２、第３導波路２２３および第４導波路２２４は、光カプラ２２６からｘ方向に延在する。
　第１ヒータ２３１は、第１導波路２２１の上に設けられ、第１導波路２２１を選択的に加熱して第１導波路２２１の位相を制御する。第２ヒータ２３２は、第２導波路２２２の上に設けられ、第２導波路２２２を選択的に加熱して第２導波路２２２の位相を制御する。第３ヒータ２３３は、第３導波路２２３の上に設けられ、第３導波路２２３を選択的に加熱して第３導波路２２３の位相を制御する。第４ヒータ２３４は、第４導波路２２４の上に設けられ、第４導波路２２４を選択的に加熱して第４導波路２２４の位相を制御する。各ヒータ２３１，２３２，２３３，２３４を挟んだ両側には断熱溝２３５が設けられる。
　本変形例においても、複数のヒータ２３１～２３４の消費電力の合計を一定とする条件下で各ヒータの消費電力が制御される。本変形例によれば、４つのヒータを用いることにより、例えば、第４導波路２２４の位相を基準として、第１導波路２２１の位相差δ１、第２導波路２２２の位相差δ２および第３導波路２２３の位相差δ３を独立に制御し、かつ、消費電力の合計を一定にすることができる。各ヒータの加熱量は、これら三つの位相差δ１，δ２，δ３に基づく連立方程式を解くことで算出できる。
　第１導波路２２１にて位相変調された光は第１出力光２７１として出力される。同様に、第２導波路２２２にて位相変調された光は第２出力光２７２として出力され、第３導波路２２３にて位相変調された光は第３出力光２７３として出力され、第４導波路２２４にて位相変調された光は第４出力光２７４として出力される。位相変調器２１０からの四つの出力光は多光束干渉して干渉パターンを生成する。本変形例によれば、位相変調器２１０の温度変化を抑えることで各導波路の位相を精密に制御することができるため、生成される干渉パターンの形状をより厳密に制御できる。
　本変形例では、１入力４出力の場合を示したが、導波路構造の出力数は特に限られず、任意の数を取ることができる。さらなる変形例では、１入力３出力の構成や１入力８出力の構成であってもよい。
（変形例３）
　図８は、変形例に係る位相変調器３１０の構成を模式的に示す上面図である。本変形例では、同一の基板１２の上に１入力２出力の導波路構造が二つ設けられる点で上述の実施の形態と相違する。以下、本変形例について上述の実施の形態との相違点を中心に説明する。
　位相変調器３１０は、基板１２と、第１入力路３２０と、第２入力路３２５と、第１導波路３２１と、第２導波路３２２と、第３導波路３２３と、第４導波路３２４と、第１光カプラ３２６と、第２光カプラ３２７と、第１ヒータ３３１と、第２ヒータ３３２と、第３ヒータ３３３と、第４ヒータ３３４と、複数の断熱溝３３５とを備える。
　第１入力路３２０は、ファイバブロック３５０を介して第１光ファイバ３５２と結合されている。第１入力路３２０に入力される光は、第１光カプラ３２６にて第１導波路３２１と第２導波路３２２に分岐される。第２入力路３２５は、ファイバブロック３５０を介して第２光ファイバ３５３と結合されている。第２入力路３２５に入力される光は、第２光カプラ３２７にて第３導波路３２３と第４導波路３２４に分岐される。第１導波路３２１、第２導波路３２２、第３導波路３２３および第４導波路３２４のそれぞれの上には、対応するヒータ３３１，３３２，３３３，３３４が設けられる。各ヒータ３３１～３３４を挟んだ両側には断熱溝３３５が設けられる。
　第１入力路３２０に入力される第１入力光３７０は、第１光カプラ３２６にて分岐された後に位相変調され、第１出力光３７１および第２出力光３７２として出力される。第１出力光３７１および第２出力光３７２は、二光束干渉により干渉縞パターンを生成する。第２入力路３２５に入力される第２入力光３７５は、第２光カプラ３２７にて分岐された後に位相変調され、第３出力光３７３および第４出力光３７４として出力される。第３出力光３７３および第４出力光３７４は、二光束干渉により干渉縞パターンを生成する。
　第１入力光３７０および第２入力光３７５は、波長、強度、位相といった光学的な特性の少なくとも一つが互いに異なっている。第１入力光３７０および第２入力光３７５が同時に位相変調器３１０に入力される場合、第１入力光３７０に基づく干渉縞パターンと、第２入力光３７５に基づく干渉縞パターンとを重畳して出力することができる。例えば、第１入力光３７０と第２入力光３７５の波長を異ならせることで、明暗幅の異なる二つの干渉縞パターンを重畳させてモアレパターンを生成することができる。なお、第１入力光３７０と第２入力光３７５をそれぞれ独立に入力させ、いずれか一方の入力光に基づく干渉縞パターンのみが生成されてもよい。
　本変形例においても、複数のヒータの消費電力の合計が一定となるように各ヒータを駆動させることで、生成される干渉縞パターンまたはモアレパターンをより精密に制御できる。
　以上、本発明を実施例をもとに説明した。この実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
　上述の実施の形態および変形例では、導波路の加熱効率を高めるために各ヒータを挟んだ両側に断熱溝を設ける構成を示した。さらなる変形例では、一部のヒータに対してのみ断熱溝を設ける構成としてもよいし、断熱溝を設けない構成としてもよい。例えば、隣接するヒータの間の位置にのみ断熱溝を設けてもよい。
　上述の実施の形態および変形例では、入力光を複数に分岐させ、分岐後の導波路にヒータを設ける導波路構造について示した。さらなる変形例においては、１入力１出力の直線状の導波路構造に複数のヒータを設け、複数のヒータの消費電力の合計が一定となるように動作させてもよい。この場合、第１ヒータが導波路上に設けられる一方、第２ヒータが導波路から離れた位置に設けられる。本変形例においても、複数のヒータを用いることで導波路構造全体としての温度変化を抑制しつつ、熱光学効果を利用した位相変調を実現できる。
　さらなる変形例においては、マッハツェンダ干渉計を用いる光スイッチに対して上述の技術を適用してもよい。この場合、マッハツェンダ干渉計の第１導波路上に第１ヒータを配置し、第２導波路上に第２ヒータを配置してもよい。また、マッハツェンダ干渉計の第１導波路上に第１ヒータを配置する一方、第２ヒータは第１導波路と第２導波路の双方から離れた位置に配置してもよい。本変形例によれば、より精密な位相制御を実現できるため、光スイッチのオンオフ比を向上させることができる。
　１０…位相変調器、１２…基板、１４…クラッド層、２１…第１導波路、２２…第２導波路、２６…光カプラ、３１…第１ヒータ、３２…第２ヒータ、３５…第１断熱溝、３６…第２断熱溝、３７…第３断熱溝、６０…光源、６２…駆動部、６４…制御部、１００…縞投影装置。
　本発明のある態様によれば、加熱による位相変調器の変形を抑制できる。

Claims (8)

  1. 　基板上に設けられ、少なくとも第１導波路を含む一以上の導波路と、
    　前記基板上に設けられる複数のヒータと、を備え、
    　前記複数のヒータは、前記第１導波路を加熱する第１ヒータと、前記第１導波路から離れた位置を加熱する第２ヒータとを含み、前記複数のヒータの消費電力の合計が一定となるよう駆動されることを特徴とする位相変調器。
  2. 　前記一以上の導波路は、前記第１導波路と異なる第２導波路を含み、
    　前記第２ヒータは、前記第２導波路を加熱することを特徴とする請求項１に記載の位相変調器。
  3. 　前記一以上の導波路は、前記第１導波路と異なる第２導波路を含み、
    　前記第２ヒータは、前記第１導波路および前記第２導波路の双方から離れた位置を加熱することを特徴とする請求項１に記載の位相変調器。
  4. 　前記一以上の導波路は、前記基板上のクラッド層内に設けられ、
    　前記第１ヒータおよび前記第２ヒータは、前記クラッド層上に設けられており、
    　前記第１ヒータと前記第２ヒータの間に設けられ、前記クラッド層の側面が露出するよう形成される断熱溝をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の位相変調器。
  5. 　前記基板上に設けられ、前記一以上の導波路と接続される光カプラをさらに備え、
    　前記光カプラは、Ｙ分岐導波路、方向性結合器、マルチモード干渉カプラ、または、スターカプラであることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の位相変調器。
  6. 　前記複数のヒータは、第１ヒータの消費電力の変化量と前記第２ヒータの消費電力の変化量とが相殺されるよう駆動されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の位相変調器。
  7. 　位相変調器の制御方法であって、前記位相変調器は、
    　基板上に設けられ、少なくとも第１導波路を含む一以上の導波路と、
    　前記基板上に設けられ、前記第１導波路を加熱する第１ヒータと、前記第１導波路から離れた位置を加熱する第２ヒータとを含む複数のヒータと、を備え、
    　前記複数のヒータの消費電力の合計を一定とする条件下で前記第１ヒータの消費電力を変化させて前記第１導波路の位相を制御することを特徴とする制御方法。
  8. 　同一基板上に設けられる第１導波路と、第２導波路と、第１ヒータおよび第２ヒータを含む複数のヒータとを有し、前記第１ヒータが前記第１導波路を加熱し、前記第２ヒータが前記第１導波路から離れた位置を加熱するよう構成される位相変調器と、
    　前記第１導波路および前記第２導波路に入力される光を生成する光源と、
    　前記複数のヒータの消費電力の合計を一定とする条件下で前記第１ヒータの消費電力を変化させて前記第１導波路と前記第２導波路の位相差を制御し、前記第１導波路および前記第２導波路から出力される光の干渉により生成される干渉縞の投影パターンを制御する制御部と、を備えることを特徴とする縞投影装置。
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