(57)【要約】【課題】  MMIを多段に亘ってカスケード接続した場合にも、簡易な構成で、装置製造に要する労力およびコストを抑制することができ、各チャネルの出射光の光量のばらつき、および光利用効率を向上させ得る光偏向装置およびモード変換部設計方法を提供する。【解決手段】  ビームスプリッタ部４は、MMIスプリッタ１４を多段にカスケード配置し、MMIスプリッタ１４の段間の接続には、曲がり導波路１２を用いるとともに、該曲がり導波路１２と次段のMMIスプリッタ１４との間に、この曲がり導波路１２を伝搬する途中で生じたモードの偏りを戻す機能を有する、長さがLとされた直線導波路からなるモード変換部１０を配設した。【選択図】図１
2020021024.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を複数に分割する光ビームスプリッタ部と、この光ビームスプリッタ部により分割された複数の光を各々の光出射端まで導き、これらの光出射端から出射された光が光干渉効果により所定方向に向かう光ビームとなるように該各々の光出射端が構成された光導波路並列部とを備え、
前記光ビームスプリッタ部は、１入力多出力MMIを多段にカスケード配置し、該１入力多出力MMIの段間の接続には、曲がり導波路を用いるとともに、該曲がり導波路と次段の１入力多出力MMIとの間に、該曲がり導波路を伝搬する途中で、該曲がり導波路の中心軸からずれたモードを、前記次段の１入力多出力MMIの入力端における中心軸の方向に戻す効果を奏する直線導波路からなるモード変換部を配設したことを特徴とする光偏向装置。
【請求項２】
前記モード変換部は、前記直線導波路の長さＬが、下記条件式（１）および（２）を同時に満たす長さに調整されていることを特徴とする請求項１記載の光偏向装置。
ただし、前記モード変換部を設けた場合の光利用効率をＥＭ、前記モード変換部を設けなかった場合の光利用効率をＥ、前記モード変換部を設けた場合のチャネル光出力のばらつき率最大値をＶＭ、前記モード変換部を設けなかった場合のチャネル光出力のばらつき率最大値をＶ（光出力ばらつき率とは、光量最大チャネルの光量をＰ１、光量最小チャネルの光量をＰ２とすると、（Ｐ１-Ｐ２）／（Ｐ１＋Ｐ２）で表される）とする。なお、前記ＥＭと前記Ｅの違いおよび前記ＶＭと前記Ｖの違いは、前記モード変換部の有無のみである。
【数１】
2020021024.tif 000015
【請求項３】
前記１入力多出力MMIが、１入力２出力MMIであることを特徴する請求項１または２に記載の光偏向装置。
【請求項４】
前記１入力多出力MMIと、この１入力多出力MMIの後段に配される前記曲がり導波路との間に直線導波路からなる補助的なモード変換部を配設したことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の光偏向装置。
【請求項５】
前記光導波路並列部が、光導波路内を伝搬する光の位相を制御する位相制御部を備えてなり、
該位相制御部は、前記光導波路のコア部に光屈折率可変材料を用いたことを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の光偏向装置。
【請求項６】
請求項１〜５のうちいずれか１項に記載の光偏向装置に係る前記モード変換部を設計する方法において、
前記モードを変換する前の変換前モードをφ1(x,y,z)、前記モードを変換した後の変換後モードをφ2(x,y,z)としたとき、下記条件式（４）、（５）で表される連立微分方程式からなるモード結合方程式を、下記条件式（６）、（７）の条件を満足するものとして演算するとともに、
重なり積分を演算して得られるχの値を下記条件式（９）を用いて導出し、
次に、前記モード結合方程式の演算により得られた、パワー変換率η(L)を表す下記条件式（８）に、前記重なり積分を演算して得られたχの値を代入し、
前記パワー変換率η(L)が極大値をとるときのLの値を、前記モード変換部の長さLとして決定することを特徴とするモード変換部設計方法。
【数２】
2020021024.tif 000016
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に空間光通信、距離センサー、レーダー、さらには立体ディスプレイ等に適用される、光導波路を用いて構築された光フェーズドアレイからなる光偏向装置およびモード変換部設計方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
空間光通信、距離センサー、レーダー、さらには立体ディスプレイ等においては、光ビームの方向を制御する素子、すなわち、光偏向素子を用いることが要求されることも多いが、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は、機械的な走査なしに光ビームを掃引でき、小型・軽量であることから、このような用途に利用される光偏向素子として、大いに期待されている。
【０００３】
光導波路を用いて構築された光フェーズドアレイは、例えば、図７に示すように、８チャネル光導波路型の光偏向装置１０１として構成される。すなわち、この光偏向装置１０１は、基板１０２上に各部が形成されてなり、導波路１０３に入射した光（入射光）を８チャネルの導波路１０５に分割するビームスプリッタ部１０４と、各チャネルの光の位相を制御する位相制御部１０６と、光を各チャネルから空間に出射する光出射部１０７から構成されている。
適切な位相分布を与えられて８つの光出射部（ピッチはＰ）１０７から出射された光は、干渉現象により合成され、偏向角度θの方向に光ビームを偏向することができる。
なお、位相制御部１０６において、各チャネルの導波路１０５の上下には電極１０８が配設されており、両電極間の電圧を変更することにより光の位相を制御することができるようになっている。
【０００４】
ところで、ビームスプリッタ部１０４は入射光を複数の導波路チャネルに分割し伝搬させる光学部分であり、図８に示すように、ビームスプリッタ部入力端１０４Ａから入射する入射光を、複数段の、マルチモード光干渉（MMI）に基づく構造の素子（以下、MMIスプリッタと称する）１１４によって光分割を順次行って、分割した複数の光をビームスプリッタ部出力端１０４Ｂから外部に出力するものである。
【０００５】
上述したMMIスプリッタ１１４は各々、光入射側導波路の光入射側端面である入力端（以下、MMIスプリッタ入力端と称する）１１４Ａと、光出射側導波路の光出射側端面である出力端（以下、MMIスプリッタ出力端と称する）１１４Ｂ、Ｃと、MMIスプリッタ入力端１１４ＡおよびMMIスプリッタ出力端１１４Ｂ、Ｃの間に光入射側および光出射側の導波路を介して接続された幅広の光導波路部分であるマルチモード光結合部（以下、MMCと称する）１１１とから構成されている。
【０００６】
MMIスプリッタ１１４において、出射する光の光量を均一化させるためには、１入力２出力のMMIスプリッタ（以下、1×2MMIと称する場合がある）１１４を複数段（図７の例においては３段）に亘ってカスケード接続する手法が効率的である。
すなわち、図８に示すように、1×2MMI１１４をN段（図８においてはN＝３）に亘ってカスケード接続することによって２N個のチャネルを形成することができる。
【０００７】
ただこのような接続を担保するためには、図８に示すように、第１段目のMMC１１１の各MMC出力端１１５にＳ字状の曲がり導波路１１２をそれぞれ接続し、さらにそれらの曲がり導波路１１２の終端１１４Ｂ、Ｃの各々に、第２段目のMMIスプリッタ入力端１１４Ａを接合して（MMC入力端１１３を接合して）第２段目のMMC１１１を接続する。このような接続をN段目まで同様に行う、1×2MMI１１４のN段カスケード接続により、２N個のチャネル（図７、８においては８チャネル））を形成したビームスプリッタ部１０４を構成することができる（下記特許文献１、非特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１８−１０１１８号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Poulton, Christopher V., et al. "Large-scale silicon nitride nanophotonic phased arrays at infrared and visible wavelengths." Optics letters 42.1 (2017): 21-24.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記MMC１１１を接続する光導波路内のモード（光導波路内を伝搬可能な電磁界分布）の中心軸は導波路の大きさ、形状、コアとクラッドの屈折率差等に依存する。すなわち、例えば、第１段目のMMC１１１の後段における曲がり導波路１１２の終端でのモードが、第２段目のMMC１１１の入力部の中心軸に対して終端の面方向にずれるためモードに偏りが生じ、モードの不一致が生じる。特に、単一モード光導波路においては基本モードのみの伝搬しか許容しないため、このようなモードの不一致は光損失の大きな要因となる。
また、このような曲がり導波路１１２によりモードに偏りが生じ、モードの不一致の態様も一様ではないため、ビームスプリッタ部１０４の各チャンネルの出力光に光量のばらつきが生じてしまい、その結果サイドローブと称される不要な光が発生したりメイン光ビーム幅が太くなる等の問題が生じ、光偏向作用に悪影響を及ぼす。
【００１１】
このような事情から、中心軸を一致させる最適化設計が望まれているが、このような最適化設計は、各MMIの各接続位置において最適化処理が必要となるため、段数の増加に伴い、素子設計が極めて煩雑となり装置製造に要する労力およびコストが大幅に増加してしまう。
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、MMIスプリッタを多段に亘ってカスケード接続した場合にも、簡易な構成で、装置製造に要する労力およびコストを抑制することができるとともに、各チャネルの出射光の光量のばらつきを抑制し、光利用効率を向上させ得る光偏向装置およびモード変換部設計方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成し得る本発明の光偏向装置は、
入射光を複数に分割する光ビームスプリッタ部と、この光ビームスプリッタ部により分割された複数の光を各々の光出射端まで導き、これらの光出射端から出射された光が光干渉効果により所定方向に向かう光ビームとなるように該各々の光出射端が構成された光導波路並列部とを備え、
前記光ビームスプリッタ部は、１入力多出力MMIを多段にカスケード配置し、該１入力多出力MMIの段間の接続には、曲がり導波路を用いるとともに、該曲がり導波路と次段の１入力多出力MMIとの間に、該曲がり導波路を伝搬する途中で、該曲がり導波路の中心軸からずれたモードを前記次段の１入力多出力MMIの入力端における中心軸の方向に戻す効果を奏する直線導波路からなるモード変換部を配設したことを特徴とするものである。
【００１３】
また、前記モード変換部は、前記直線導波路の長さＬが、下記条件式（１）および（２）を同時に満たす長さに調整されていることが好ましい。
ただし、前記モード変換部を設けた場合の光利用効率をＥＭ、前記モード変換部を設けなかった場合の光利用効率をＥ、前記モード変換部を設けた場合のチャネル光出力のばらつき率最大値をＶＭ、前記モード変換部を設けなかった場合のチャネル光出力のばらつき率最大値をＶ（光出力ばらつき率とは、光量最大チャネルの光量をＰ１、光量最小チャネルの光量をＰ２とすると、（Ｐ１-Ｐ２）／（Ｐ１＋Ｐ２）で表される）とする。なお、前記ＥＭと前記Ｅの違いおよび前記ＶＭと前記Ｖの違いは、前記モード変換部の有無のみである。
【数１】
2020021024.tif 000003
【００１４】
また、前記１入力多出力MMIが、１入力２出力MMIであることが好ましい。
また、前記１入力多出力MMIと、この１入力多出力MMIの後段に配される前記曲がり導波路との間に直線導波路からなる補助的なモード変換部を配設することが好ましい。
【００１５】
また、前記光導波路並列部が、光導波路内を伝搬する光の位相を制御する位相制御部を備えてなり、
該位相制御部は、前記光導波路のコア部に光屈折率可変材料を用いたことが好ましい。
なお、本発明の光偏向装置に係る光導波路は、MMC部分を除き、単一モード導波路とされている。
また、本発明に係るモード変換部設計方法は、上述したいずれかに記載の光偏向装置に係るモード変換部を設計する方法であって、
前記モードを変換する前の変換前モードをφ1(x,y,z)、前記モードを変換した後の変換後モードをφ2(x,y,z)としたとき、下記条件式（４）、（５）で表される連立微分方程式からなるモード結合方程式を、下記条件式（６）、（７）の条件を満足するものとして演算するとともに、
重なり積分を演算して得られるχの値を下記条件式（９）を用いて導出し、
次に、前記モード結合方程式の演算により得られた、パワー変換率η(L)を表す下記条件式（８）に、前記重なり積分を演算して得られたχの値を代入し、
前記パワー変換率η(L)が極大値をとるときのLの値を、前記モード変換部の長さLとして決定することを特徴とするものである。
【数２】
2020021024.tif 000004
【発明の効果】
【００１６】
本発明の光偏向装置によれば、光ビームスプリッタ部において、モード変換部を曲がり導波路の終端と、次段の１入力多出力MMIの入力端の間に挿入することで、曲がり導波路の終端におけるモードの中心軸を、次段の１入力多出力MMIの入力端の中心軸と一致する方向に戻す状態とすることができる。
【００１７】
したがってMMC（マルチモード光結合部）内部での干渉パターンを一定とするように修正することができる。
また、１入力多出力MMIをカスケード的に複数段並べた場合において、前段の１入力多出力MMI出力端におけるモードの中心軸と、次段の１入力多出力MMIの入力端におけるモードの中心軸を一致させることが主な設計作業となり、MMC内部での干渉パターンに応じたMMI出力端での最適化設計を不要にすることができる。もしくは曲がり導波路の終端でのモードと１入力多出力MMIの入力端におけるモードを揃える設計を不要とすることができる。この結果、簡易な構成で、装置製造に要する労力およびコストを抑制することができるとともに、各チャネルの出射光の光量のばらつきを抑制し、光利用効率を向上させることができる。
また、本発明のモード変換部設計方法によれば、モード結合方程式および重なり積分を用いて演算することにより、光が曲がり導波路を通過する際に生じたモードの偏りを元に戻すことのできる、モード変換部の最小の長さを容易に決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る光偏向装置のビームスプリッタ部を示す概略図である。
【図２】本発明の実施形態に係る光偏向装置に用いられる光導波路の断面形状を示す概略図である。
【図３】本発明の実施形態に係る光偏向装置に用いられる曲がり導波路の実効的な屈折率分布を説明する概略図であり、（Ａ）は曲がり導波路の形状を示すものであり、（Ｂ）は導波路が湾曲する直前部分の断面径方向の屈折率分布を示すグラフであり、（Ｃ）は曲がり導波路部分の断面径方向の屈折率分布を示すグラフである。
【図４】本発明の実施形態に係る光偏向装置（光フェーズドアレイ）の構成を概念的に示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る光偏向装置において、MMC周りの部材の位置関係を示す図に加え、（Ａ）曲がり導波路の伝搬モードφ1を示す図、および（Ｂ）モード変換部における伝搬モードφ2を示す図を表したものである。
【図６】本発明の実施形態に係る光偏向装置において、モード変換部の長さＬに対して、モード変換部の終端における伝搬モードφ2の変化を示すグラフ（実線）である。
【図７】従来技術にかかる、光フェーズドアレイからなる光偏向装置の構成を示す概略図である。
【図８】従来技術にかかる光偏向装置のビームスプリッタ部の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態に係る光偏向装置およびモード変換部設計方法について図面を用いて説明する。
まず、本実施形態にかかる光偏向装置は、図４に示すように、８チャネル光導波路型の光偏向装置１として構成されたものである。この光偏向装置１は、基板２上に各部が形成されてなり、光導波路からなる入射部３に入射した光（入射光）を８チャネルに分割するビームスプリッタ部４と、各チャネルの光の位相を制御する位相制御部６と、光をチャネルから空間に出射する光出射部７から構成されている。
位相制御部６において適切な位相分布を与えられ８つの光出射部（ピッチはＰ）７から出射された光は、干渉現象により合成され、偏向角度θの方向に光ビームを偏向する（図７を参照）。
【００２０】
次に、図１を用いて、上述したビームスプリッタ部４について説明する。
本実施形態における光偏向装置のビームスプリッタ部４は、３段カスケード配置とされた１入力２出力MMI（以下、本実施形態において1x2MMIと称する）１４と、曲率半径ｒ（ｒは可変とすることができる）で定義される曲率とされた導波路である曲がり導波路１２と、この曲がり導波路１２の前段および後段に接続された、直線導波路からなるモード変換部１０とから構成されている。
【００２１】
ここで、上記曲がり導波路１２および上記モード変換部１０等を構成する光導波路は、例えば図２に示すような断面構造を有しており（本実施形態においては埋め込み型とされている）、光路となるコア２２と、コア２２を取り囲むクラッド（図２中でコア２２の上方部分を上部クラッド２３Ａ、下方部分を下部クラッド２３Ｂと称する）２１からなる。コア２２の屈折率に対しクラッド２１の屈折率は低く設定されており、両者２１、２２の屈折率差は光をコア２２の内部に閉じ込めて伝搬する上で十分な大きさに設定されているため、光は境界面で全反射を起こしながらほぼロスなく進行することができる。
なお、クラッド２１の構成材料としては、例えばＳｉＯ２（屈折率１．４８）等が用いられ、コア２２の構成材料としては、例えば、印加電圧に応じて屈折率が変化するEOポリマー（屈折率１．６６）等の光屈折率可変材料が用いられる。
【００２２】
コア２２の内部における光は伝搬モード（モード）と称される電磁界分布を形成して伝搬することができる。この伝搬モードは伝搬定数と称される、コアサイズ、コア材料、クラッド材料およびコアの曲率半径により決まる数値によって決定される。
なお、前述した位相制御部６も並列した光導波路で形成されているが、クラッド２１の対向する面上に、コア２２内を伝搬する光の位相を制御し得る電界を発生する電極が各々設けられている。
【００２３】
ところで、上記のような基本構成を有する導波路のうち、曲がり導波路１２と、その曲がり導波路１２の伝搬モードについて、図３を用いて説明する。ここで、図３（Ａ）は、曲率半径ｒの曲率を有する曲がり導波路１２の形状を示すものである。
この曲がり導波路１２は、電磁界分布に対しての屈折率が曲率半径rに依存して変化し、下記条件式（３）で与えられる、屈折率n´(y)を有する直線状の導波路と等価と考えることができる。
【００２４】
【数３】
2020021024.tif 000005
ここで、ｙは導波路断面における導波路径方向の位置を示すものであり、コアの中心位置をy=0と定義する。また、n(y)は曲がりがなく直線状となっている位置ｂでの導波路断面径方向の屈折率分布を表し、n´(y)は曲がり導波路１２の湾曲部分の位置ｃでの導波路断面径方向の屈折率分布を表す（森北出版株式会社 光導波路解析入門  ,山内潤治監修,  薮哲郎著を参照）。
【００２５】
図３（Ｂ）は、曲がりがなく直線状となっている導波路中の位置ｂにおける導波路断面径方向の屈折率分布n(y)を示すものであり、図３（Ｃ）は、曲がり導波路１２の湾曲部分の位置ｃにおける導波路断面径方向の屈折率分布n´(y)を示すものである。
図３（Ｂ）から明らかなように、位置ｂにおいては導波路断面径方向の屈折率分布に偏りが生じていないのに対して、図３（Ｃ）から明らかなように、位置ｃにおいては導波路断面径方向の屈折率分布に傾斜が発生し偏りが生じている。これにより、曲がり導波路１２の湾曲部分においては、直線状となっている導波路とは異なる伝搬モードとされてしまう。
したがって、曲がり導波路からの光をMMIスプリッタ入力端１４Ａに入射すると、MMC１１の内部干渉分布パターンに偏りが生じる。
【００２６】
そこで、本実施形態においては、各曲がり導波路１２の終端に、直線状の導波路からなるモード変換部１０の始端を接合させ、曲がり導波路１２による、光伝搬モードの偏りを、この後、モード変換部１０を伝搬させることにより、修正するようにしている。
【００２７】
すなわち、曲がり導波路１２における伝搬モードφ1の中心（中心軸）は、図５（Ａ）に示すように、曲がり導波路１２の中心軸（白破線）からずれた位置となる。伝搬モードφ１の偏りは、図５に示すように、曲がり導波路１２の終端に所定長Ｌのモード変換部１０を接合し、このモード変換部１０において伝搬モードφ1の偏りを修正することにより、MMC１１の入力端１３（モード変換部１０の終端）における伝搬モードφ2の中心（中心軸）は、図５（Ｂ）に示すように、曲がり導波路１２の中心軸（白破線）上に一致した位置となる。
【００２８】
このように、曲がり導波路１２によって、偏るように配された伝搬モードは、モード変換部１０を通過する間に偏りがなくなるように修正される。ただし、本実施形態においては、このモード変換部１０が、導波路の中心軸からずれたモードを該中心軸方向に戻すことができる長さLを有するように構成されている。
【００２９】
以下、曲がり導波路１２により導波路の中心軸からずれたモードを、該中心軸方向に戻すことが可能なモード変換部１０の所定の長さＬをモード結合方程式を用いて算出する。
まず、モード結合方程式として、以下の連立微分方程式（４）、（５）を設定する。なお、光の伝搬方向軸をz軸と定義する。
【数４】
2020021024.tif 000006
【００３０】
なお、φ1(x,y,z)は、モード変換前の伝搬モードを成す電磁界分布であり、φ2(x,y,z)は、モード変換後の伝搬モードを成す電磁界分布である。
また、モード変換前(z＝0)およびモード変換後(ｚ＝L)におけるモードは、下記条件式（６）、（７）を満たすものとする。
【数５】
2020021024.tif 000007
【００３１】
上記２つの連立微分方程式（４）、（５）と、上記２つの条件式（６）、（７）から得られた下記条件式（８）により、パワー変換率η(L)を得ることができる。
【数６】
2020021024.tif 000008
【００３２】
なお、χは２つの伝搬モードの重なり積分であり、下記条件式（９）により得ることができる。
【数７】
2020021024.tif 000009
【００３３】
モードφ1,φ2は、定数a,b,c,dとモード同士のずれ量Δを用いて、下記条件式（１０）、（１１）で表される。
【数８】
2020021024.tif 000010
【００３４】
これらのモードφ1,φ2を重なり積分に当てはめると、重なり積分χは、モードの係数を用いて下記条件式（１２）により表すことができる。
【数９】
2020021024.tif 000011
【００３５】
パワー変換率η(L)は正弦波に従って変化することから、変換距離をｚ=０から増加させて最初にパワー変換率η(L)が極大値をとるときの長さLが、伝搬モードが直線導波路によって変換し終えた長さとなる。その変換に要する長さLは、重なり積分χを用いて以下の式（１３）で示すことができる。
【数１０】
2020021024.tif 000012
【００３６】
すなわち、２つのモードの内積計算により見積もることができるχを用いて長さLを求めることができる。
図６は、モード変換部１０の長さを増加させるにしたがって、MMIスプリッタ入力端１４Ａにおける中心対称なモードの光強度の割合が増加していく様子を示すグラフである。この場合の、曲がり導波路１２やモード変換部１０等の各要素にかかる数値は、後述する実施例のものと同じとされている。ここで、光強度が0とは、曲がり導波路１２をMMIスプリッタ入力端１４Ａに直接接続した場合の、MMIスプリッタ入力端１４Ａにおける中心対称なモードの光強度の割合であり、光強度が1.0とは、曲がり導波路１２によるモードの偏りを完全に修正した場合の、MMIスプリッタ入力端１４Ａにおけるモードの強度の割合である。
この図６によれば、モード変換部１０の長さが増加していくと、モードの変換率が大きくなり、MMIスプリッタ入力端１４Ａにおける光強度が増加していき、モード変換部１０の長さが１７５μｍに達したときにモードが完全に移行し、MMIスプリッタ入力端１４Ａにおける中心対称なモードの光強度の割合が最大となり、これ以上モード変換部１０の長さを増加してもMMIスプリッタ入力端１４Ａにおける中心対称なモードの光強度は変化しない。
【００３７】
このようにして求めた長さLに設定されたモード変換部１０を、曲がり導波路１２の終端と、次段のMMC入力端１３の間に挿入することで、MMC入力端１３に入射するモードの中心軸はMMC入力端１３の中心軸と一致した状態とすることができる。
なお、上記で算出した長さLは、モードの偏りを完全に修正するのに要する最小値であるから、モード変換部１０の長さをL以上とすることは勿論かまわない。また、モードの偏りを完全に修正はしていないが、実質的な使用に問題がない長さL´とすることも勿論可能である。
【００３８】
本実施形態の光偏向装置においては、MMC１１の内部での干渉パターンが一定となり、長さLのモード変換部１０を配設したMMIスプリッタ１４を複数段、カスケード配置とした場合において、第１段目（または第２段目）のMMIスプリッタ出力端１４Ｂ、Ｃにおけるモードの中心軸と、第２段目（または第３段目）のMMIスプリッタ入力端１４Ａの中心軸を一致させることが、ビームスプリッタ部４を製作する際の主な設計作業となり、従来行われてきた、MMC１１内部での干渉パターンに応じたMMIスプリッタ出力端１４Ｂ，Ｃにおける、面倒な最適化設計を不要とすることができる。もしくは曲がり導波路１２の出力端におけるモードとMMIスプリッタ入力端１４Ａにおけるモードを揃える設計作業を不要とすることができる。
【００３９】
（実施形態の変更態様）
本発明の光偏向装置およびモード変換部設計方法としては、上記実施形態のものに限られるものではなく、その他の種々の態様の変更が可能である。例えば、上記実施形態においては、MMIビームスプリッタを１入力２出力のものとしているが、出力は２つのものに限られず、３出力以上の多出力とすることが可能である。
また、上述した実施形態としては、ビームスプリッタ部４の後段に位相制御部６および光出射部７を設けているが、ビームスプリッタ部４により分割された複数の光を各々の光出射端まで導く機能を有していれば、位相制御部を簡略化または省略することも可能である。
また、上記実施形態においてはMMC１１と曲がり導波路１２の間にもモード変換部１０を設けているが、MMC１１と曲がり導波路１２を直結することも可能である。
【００４０】
またカスケード配置する、MMIの段数は３つに限られるものではなく、２つまたは４つ以上とすることも可能である。
さらに、ビームスプリッタ部出力端４Ｂおよび光出射部７のチャネルピッチは、ピッチコンバータを用いて狭めることも可能である。このピッチコンバータには曲がり導波路や傾斜の付いた直線導波路を用いることができる。
なお、上記実施形態においては、導波路のコアの構成材料として電圧により屈折率を可変し得るEOポリマー等の材料を用いているが、これに替えて熱により屈折率を可変し得るシリコン系の材料等を用いることもできる。
【実施例】
【００４１】
以下、具体的な実施例を説明することによって、本発明の光偏向装置についてさらに説明する。ここでは図１〜４の各図面を再度用いて説明する。
（実施例の構成）
本実施例における光偏向装置１は、図４に示すように、１つの光ビームを多数に分割するビームスプリッタ部４と、位相制御部６と、光出射部７と、から構成しており、ビームスプリッタ部４は、１つの光を２つに分割して伝搬させる１入力２出力のMMIスプリッタ１４を７つ、カスケード的に配置して８つのチャネルに分割する構成とした。
【００４２】
導波路の断面形状は図２に示すように構成されており、コア２２を屈折率1.66のEOポリマーにより形成し、クラッド２１を屈折率1.48のＳｉＯ２によって形成した。
本実施例では、シングルモードの光導波路として動作させるべく、コア２２の断面において、幅（図２の導波路左右方向）、厚み（図２の導波路上下方向）を共に１．５μmとし、クラッド２１の厚み（図２の導波路上下方向）は、上部クラッド２３Ａおよび下部クラッド２３Ｂを共に２μmとした。
【００４３】
なお、本実施例では、ビームスプリッタ部４の導波路の下部（または上部）に下部電極（または上部電極）を設け、位相制御部６の導波路の上部および下部に各々上部電極および下部電極を設けており、各電極はいずれもAuで形成し、いずれも厚みを100nmとした。
【００４４】
また、位相制御部６の長さは、印加電圧による位相変化が２πを超え、且つ高電界による素子破損をきたさない範囲で印加電圧を選択できるよう調節されており、具体的には、10mmとした。
位相制御部６における各導波路のピッチは、電気的なクロストークが発生しないよう、20μmとした。
【００４５】
また、本実施例においては光出射部７のピッチ（隣接チャネルピッチＰｒ）を20μmに設定した。
ビームスプリッタ部４は、長さ59.47μm、幅20μmのMMC１１を用いたMMIスプリッタ１４を7つ、曲率半径1.7mmのＳ字状の曲がり導波路１２を用い接続された、MMIスプリッタ１４の３段カスケード構造とした。第２段目および第３段目のMMIスプリッタ入力端１４Ａの直前には長さ175μmの直線導波路をモード変換部１０として配置した。このモード変換部１０の始端は曲がり導波路１２の終端と接合した。
なお、本実施例では、光フェーズドアレイ構造の設計やシミュレーションの実施にあたっては、ビーム伝搬法（beam propagation method:BPM）を用いた。ビーム伝搬法は、微小区間に分けた解析空間を逐次的に計算するものであり、導波路の形状や屈折率が光の伝搬方向に対して変化している場合の伝搬解析に有効である。
【００４６】
（実施例のシミュレーション結果）
以上のように構成した光偏向装置１を実施例サンプルとし、上記のように構成した光偏向装置１からモード変換部１０を外した光偏向装置を比較例サンプルとし、これら実施例サンプルと比較例サンプルについて、光利用効率およびチャネル光出力のばらつき率の２項目について、シミュレーション結果を求めた。
【００４７】
なお、ここでの光利用効率は、光偏向装置１への入射光の光量をＳ１、光偏向装置１からの出射光の光量合計をＳ２としたとき、Ｓ２／Ｓ１と定義される。
また、ここでのチャネル光出力のばらつき率とは、光量最大チャネルの光量をＰ１、光量最小チャネルの光量をＰ２としたとき、（Ｐ１-Ｐ２）／（Ｐ１＋Ｐ２）と定義される。
そのシミュレーション結果を、下表１、２に示す。
【００４８】
【表１】
2020021024.tif 000013
【００４９】
【表２】
2020021024.tif 000014
【００５０】
上記表１および上記表２から、モード変換部１０を挿入することにより、光利用効率が約２．９％向上し、各チャネル光出力のばらつき率が約２７％低下することが明らかとなった。光偏向素子の制度を向上させるため、従来技術（図８に示すもの）に比べ、光利用効率を１．５％以上、より好ましくは２．０％以上まで向上させること、および各チャネルの光出力のばらつき率を１０％以下、より好ましくは２０％以下まで低下させることが望まれていることからして、本実施例の光偏向装置はその要望を十分に満たしたものとなっている。
なお、モード変換部１０を挿入することなく、直結する曲がり導波路の終端とMMC入力端を直結し、互いの軸調整を行う方策では、光利用効率は、上記実施例サンプルには及ばないものの、上記比較例サンプルよりは向上しており、一方、チャネル光出力のばらつきは上記実施例サンプルを下回る程度まで低下させることができた。
【００５１】
しかしながら、直結する曲がり導波路とMMC入力端の軸調整を行う方策では、MMIスプリッタ毎に位置調整を行わなければならず、特にカスケード配置によりマルチチャネル化する場合には、中心軸の位置揃えを段ごとに行わなければならない等の設計の煩雑さを伴う。例えば２N個のMMIスプリッタをＮ段カスケード状に並べる場合、曲がり導波路とMMIスプリッタ入力端の位置合わせ調整がΣ２Ｎ-１（ただし、Nは１〜３）回も必要となる。
【００５２】
これに対し、本実施例の光偏向装置においては、上述したような演算により求めたモード変換部１０の長さＬを、全てのMMIスプリッタ１４に適用することが可能であるから、モード変換部の長さＬの算出処理は一度行うだけでよく、光偏向装置の製造に要する労力およびコストの低減を図ることができる。
したがって、本実施例の光偏向装置によれば、設計の煩雑さを低減しつつ、光利用効率およびチャネル間光出力のばらつきの改善を図ることができることが明らかである。
【符号の説明】
【００５３】
１、１０１      光偏向装置
２、１０２      基板
３      光入射部
４、１０４      ビームスプリッタ部
４Ａ、１０４Ａ      ビームスプリッタ部入力端
４Ｂ、１０４Ｂ      ビームスプリッタ部出力端
６、１０６      位相制御部
７、１０７      光出射部
１０      モード変換部
１１、１１１      MMC
１２、１１２      曲がり導波路
１３、１１３      MMC入力端
１４、１１４      MMIスプリッタ 
１４Ａ、１１４Ａ      MMIスプリッタ入力端 
１４Ｂ、Ｃ、１１４Ｂ、Ｃ      MMIスプリッタ出力端 
１５、１１５      MMC出力端
２１      クラッド
２２      コア
２３Ａ      上部クラッド
２３Ｂ      下部クラッド
１０３、１０５      導波路
１０８      電極
【図１】
2020021024.tif 000017
【図２】
2020021024.tif 000018
【図３】
2020021024.tif 000019
【図４】
2020021024.tif 000020
【図５】
2020021024.tif 000021
【図６】
2020021024.tif 000022
【図７】
2020021024.tif 000023
【図８】
2020021024.tif 000024