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公開番号2024111452
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-08-19
出願番号2023015970
出願日2023-02-06
発明の名称光制御デバイス
出願人日本放送協会
代理人弁理士法人磯野国際特許商標事務所
主分類G02F 1/295 20060101AFI20240809BHJP(光学)
要約【課題】多くの消費電力や複雑な信号制御をする必要がない光制御デバイスを提供する。
【解決手段】光ビーム制御デバイス1は、1xM MMI光スプリッタと、(M-2)x1 MMI光コンバイナと、を近接配置して構成した1入力3出力の光分配素子30を利用しており、電極長が互いに異なる複数の焦点制御用位相制御部10と、互いに異なる整数M(M≧3)で特定される複数の光分配素子30と、を備え、光分配素子において、3出力の光強度比が1:(M-2):1であり、所定値Mで特定される光分配素子の光強度の割合が(M-2)/Mである出力が焦点制御用位相制御部の光導波路を介し、1入力3出力かつ3出力の光強度比が1:(M-4):1である光分配素子に接続されており、すべての焦点制御用位相制御部は信号線82を共有し、各焦点制御用位相制御部が電気光学効果に基づいて光位相を変化させることにより、出力光ビーム焦点位置を制御する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
１ｘＭＭＭＩ光スプリッタと、（Ｍ－２）ｘ１ＭＭＩ光コンバイナと、を近接配置して構成した１入力３出力の光分配素子を用いた光制御デバイスであって、
電極長が互いに異なる複数の焦点制御用位相制御部と、
互いに異なる整数Ｍ（Ｍ≧３）で特定される複数の光分配素子と、を備え、
前記光分配素子において、３出力の光強度比が１：（Ｍ－２）：１であり、
所定値Ｍで特定される光分配素子の光強度の割合が（Ｍ－２）／Ｍである出力が、前記焦点制御用位相制御部の光導波路を介し、１入力３出力かつ３出力の光強度比が１：（Ｍ－４）：１である前記光分配素子に接続されており、
すべての前記焦点制御用位相制御部は信号線を共有し、
前記焦点制御用位相制御部のそれぞれが電気光学効果に基づいて光位相を変化させることにより、出力光ビーム焦点位置を制御する光制御デバイス。
続きを表示（約 1,300 文字）【請求項２】
前記光分配素子と前記焦点制御用位相制御部とが交互に配置されて接続され、
デバイスの一端から他端に向かう順序にそれぞれ配置された前記焦点制御用位相制御部の各電極の長さの比が、それぞれの前記焦点制御用位相制御部の入力側に配置された前記光分配素子のそれぞれの３出力における最小強度に対する最大強度の割合の比と等しくなるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の光制御デバイス。
【請求項３】
複数の光出力部にそれぞれ接続された光導波路のチャネル数が偶数であって、
デバイスの光出力端から光入力端に向かってＰ（Ｐ≧２）番目に配置された前記焦点制御用位相制御部は、当該焦点制御用位相制御部への光入力側に、３出力の光強度比が１：２Ｐ：１である前記光分配素子が接続され、かつ、当該焦点制御用位相制御部からの光出力側に、３出力の光強度比が１：（２Ｐ－２）：１である前記光分配素子が接続され、
デバイスの光出力端の最も近くに配置された前記焦点制御用位相制御部の電極の長さを２としたときに、デバイスの光出力端から光入力端に向かってＰ（Ｐ≧２）番目に配置された前記焦点制御用位相制御部の電極の長さは２Ｐであることを特徴とする請求項２に記載の光制御デバイス。
【請求項４】
複数の光出力部にそれぞれ接続された光導波路のチャネル数が奇数であって、
デバイスの光出力端から光入力端に向かってＰ（Ｐ≧２）番目に配置された前記焦点制御用位相制御部は、当該焦点制御用位相制御部への光入力側に、３出力の光強度比が１：（２Ｐ－１）：１である前記光分配素子が接続され、かつ、当該焦点制御用位相制御部からの光出力側に、３出力の光強度比が１：（２Ｐ－３）：１である前記光分配素子が接続され、
デバイスの光出力端の最も近くに配置された前記焦点制御用位相制御部の電極の長さを１としたときに、デバイスの光出力端から光入力端に向かってＰ（Ｐ≧２）番目に配置された前記焦点制御用位相制御部の電極の長さは（２Ｐ－１）であることを特徴とする請求項２に記載の光制御デバイス。
【請求項５】
複数の光出力部にそれぞれ接続された光導波路に沿って設けられた電極をそれぞれ有する複数の偏向制御用位相制御部をさらに備え、
少なくとも２つの前記偏向制御用位相制御部は信号線を共有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光制御デバイス。
【請求項６】
請求項５に記載の光制御デバイスを、その光出力部の個数よりも１つ多く備えると共に、前記光出力部の個数と同数の接続用光導波路を備え、
いずれか１つの前段となる光制御デバイスが備える複数の光出力部に、前記接続用光導波路を介して、他の複数の後段となる光制御デバイスの光入力部がそれぞれ接続されており、
いずれか１つの後段となる光制御デバイスにおいて複数の前記偏向制御用位相制御部が共有する信号線は、他の後段となる光制御デバイスにおいて複数の前記偏向制御用位相制御部が共有する信号線と電気的に接続されていることを特徴とする光制御デバイス。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
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、光ビームの焦点制御が可能な光制御デバイスに関する。
続きを表示（約 2,700 文字）【背景技術】
【０００２】
空間光通信や測距、３次元情報取得・表示システムなどへの応用を目指し、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。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、光導波路構造を適用することで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焦点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）。
【０００３】
図１６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。ＯＰＡ９０１は、基板９０２上に、光入力部９０３と、光分離部９０４と、マルチチャネル光導波路９０５と、を備えている。ＯＰＡ９０１は、ここでは、一例として、マルチチャネル光導波路９０５のチャネル数を８とした１次元偏向型のＯＰＡである。なお、チャネルは、手前から０，１，２，…，７とする。マルチチャネル光導波路９０５は、チャネルごとに個別の位相制御部９１０を備え、その先端を光出力部９０７として用いる。
【０００４】
なお、チャネル数は２本以上であれば良く、その数に合わせて光分離部９０４の出力本数が決定される。また、光出力部９０７は光導波路先端の端面に限らず、プリズムや回折格子などの光路変換素子を用いて光導波路９０６と非平行に光を出射する構造であってもよい。さらに、光出力部９０７を２次元配列させることにより、２次元偏向型のＯＰＡを構成することもできる。なお、図１６では、光導波路９０６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。
【０００５】
ＯＰＡ９０１の光分離部９０４には、８本の光導波路９０６からなるマルチチャネル光導波路９０５に入射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。１ｘ２ＭＭＩ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。例えば１６本のマルチチャネル光導波路に分配するには、１ｘ２ＭＭＩ光スプリッタ２０を１５個接続して配置することができる。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、１ｘＮＭＭＩ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。
【０００６】
ＯＰＡ９０１の位相制御部９１０には、信号線９０８を介した外部からの電圧印加や電流注入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）や熱光学（ＴＯ）効果を有する材料（以下、ＴＯ材料と称す）、液晶材料（以下、ＬＣ材料と称す）などが利用される。
【０００７】
位相制御部９１０は、各チャネルの光出力部９０７における出射光の位相を任意に制御することが可能であり、複数の出射光は、干渉して位相分布に応じた光ビームパターンを形成する。したがって、ＯＰＡ９０１は、各位相制御部９１０の動作により光ビームパターンを制御することができる（例えば非特許文献２参照）。
【０００８】
ここで、位相制御部９１０の動作を、ＥＯ材料の１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、外部電界がない場合の屈折率をｎ
0
として次の式（１）で与えられる。
ｎ＝ｎ
0
－0.5ｒ
33
ｎ
3
Ｅ … 式（１）
この現象をＥＯ効果と呼び、屈折率変化の大きさを示す物性値ｒ
33
をＥＯ係数と呼ぶ。
図２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（位相制御部９１０に相当する）の構造を示す断面図である。図２に示す構造は、基板上に導電性薄膜を被覆して下部電極１１とし、下部電極１１上に例えば有機シリカを成膜してクラッドとし、さらにＥＯポリマーを塗布の上、光導波路パターンをエッチングしてコアとし、さらに有機シリカを成膜してクラッドとし、さらに導電性材料で被覆して上部電極１２とすることで作製できる。なお、図２のコア６１を導波路として機能させるために、有機シリカの屈折率は、ＥＯポリマーの屈折率よりも低いものとする。
【０００９】
図２において、下部電極１１と上部電極１２との間に電位差を与えると、コア６１に外部電界Ｅが生じ、ＥＯ効果によってコア６１の電界方向（基板と垂直な方向）の屈折率が変化する。長さＬかつコア屈折率ｎである位相制御部９１０に入射した基本ＴＭ（Transverse Magnetic）モード（基板と垂直な方向に電界振幅を有する）で波長λの光の位相は、位相制御部９１０の終端においてφ
n
＝２πｎＬ／λだけ変化する。外部電界がない場合の位相の変化φ
n0
を基準に外部電界Ｅの作用による位相変化量Δφ（Ｅ）を求めると、次の式（１ｂ）が得られる。
Δφ（Ｅ）＝φ
n
－φ
n0
＝２π（ｎ－ｎ
0
）Ｌ／λ … 式（１ｂ）
これに式（１）を代入すると、次の式（２）が得られる。
Δφ（Ｅ）＝２π（ｎ
0
－0.5ｒ
33
ｎ
0
3
Ｅ－ｎ
0
）Ｌ／λ＝－πｒ
33
ｎ
0
3
ＥＬ／λ…式（２）
【００１０】
図２の構造を有する位相制御部９１０に電位差Ｖを与えた場合の外部電界Ｅは、一般にＥ＝ａＶ（ただし、ａは比例定数）であるから、位相制御部９１０への印加電圧により、印加電圧が０の場合を基準とした光位相の任意な制御が可能である。なお、ここではＥＯ効果を用いた位相制御部９１０について説明したが、ＴＯ材料やＬＣ材料をコアに用いた場合においても、位相制御部９１０の基本的な作用は同様である。ただし、ＴＯ材料では信号として電流を用い、負荷抵抗で発生するジュール熱により位相制御部９１０の屈折率を変化させる。
（【００１１】以降は省略されています）

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