(57)【要約】【課題】従来よりもさらに小型化された走査型ＬＤＶを提供する。【解決手段】本発明によれば、２つのアレイ導波路型回折格子であって、アレイ導波路の一部に隣接する導波路の経路長の略等しい位相可変領域を有する、第１および第２のアレイ導波路型回折格子と、前記第１のアレイ導波路型回折格子のＮ本（Ｎは２以上の整数）の光出力導波路に接続されるＮ個の第１のグレーティングカプラと前記第２のアレイ導波路型回折格子のＮ本の光出力導波路に接続されるＮ個の第２のグレーティングカプラを二列に配置することで構成されるＮ組の出力用ポートと、散乱光を受光するための受光部とを含み、各前記アレイ導波路型回折格子は、前記位相可変領域を横断して形成され導波路の上部クラッド層として機能するテーパー状の（Ｎ−１）個の液晶層とを含むセンサ、並びに、当該センサを含むレーザドップラー流速計が提供される。【選択図】図２
2015172540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２以上の出力波長を有する波長可変レーザと、
前記波長可変レーザが出射するレーザ光を分割してなる２つのプローブ光を測定点に出射し、該測定点から発生する散乱光の検出信号を出力するためのセンサ基板を備えるセンサ部と、
前記出力波長および前記センサ基板に印加する電圧を可変制御するための制御手段と、
前記散乱光の検出信号に基づいて流速を計測する信号処理部と、
を含み、
前記センサ基板は、
前記レーザ光を入力するための入力用ポートと、
前記入力用ポートにおいて分割された２つの光のそれぞれを入力とする２つのアレイ導波路型回折格子であって、アレイ導波路の一部に隣接する導波路の経路長の略等しい位相可変領域を有する、第１および第２のアレイ導波路型回折格子と、
前記第１のアレイ導波路型回折格子のＮ本（Ｎは２以上の整数）の光出力導波路に接続されるＮ個の第１のグレーティングカプラと前記第２のアレイ導波路型回折格子のＮ本の光出力導波路に接続されるＮ個の第２のグレーティングカプラを二列に配置することで構成されるＮ組の出力用ポートと、
前記散乱光を受光するための受光部と、
を含み、
各前記アレイ導波路型回折格子は、
前記位相可変領域を横断して形成され導波路の上部クラッド層として機能するテーパー状の（Ｎ−１）個の液晶層を含み、
前記制御手段は、
各前記液晶層に対して個別に正または負の電圧を印加して前記位相可変領域を構成する各導波路の等価屈折率を変化させることによって、波長λのプローブ光を出射する前記出力用ポートを切り替える、
レーザドップラー流速計。
【請求項２】
前記受光部は、前記第１および第２のグレーティングカプラの間に配置される第３のグレーティングカプラを含む、
請求項１に記載のレーザドップラー流速計。
【請求項３】
各前記位相可変領域に対して、前記アレイ導波路の経路長の短いほうから長い方にかけて拡幅する第１の液晶層および該経路長の長いほうから短い方にかけて拡幅する第２の液晶層がそれぞれ（Ｎ−１／２）個ずつ形成される（Ｎは３以上の整数）、
請求項１または２に記載のレーザドップラー流速計。
【請求項４】
前記制御手段は、
（Ｎ−１）個の前記液晶層に対してＮ通りのパターンで電圧を印加することよって、波長λのプローブ光を出射する前記出力用ポートの位置をＮ通りに切り替える、
請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザドップラー流速計。
【請求項５】
前記制御手段は、
Ｎ個の出力波長を切り替え制御するとともに、該出力波長を波長λに制御している期間に、（Ｎ−１）個の前記液晶層に対する電圧印加をＮ通りのパターンで切り替えることによって測定点を２次元に走査する、
請求項４に記載のレーザドップラー流速計。
【請求項６】
前記液晶層は強誘電性液晶層である、
請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザドップラー流速計。
【請求項７】
前記第１の液晶層と第２の液晶層が交互に形成される、
請求項３〜５のいずれか一項に記載のレーザドップラー流速計。
【請求項８】
レーザドップラー流速測定用のセンサであって、
レーザ光を入力するための入力用ポートと、
前記入力用ポートにおいて分割された２つの光のそれぞれを入力とする２つのアレイ導波路型回折格子であって、アレイ導波路の一部に隣接する導波路の経路長の略等しい位相可変領域を有する、第１および第２のアレイ導波路型回折格子と、
前記第１のアレイ導波路型回折格子のＮ本（Ｎは２以上の整数）の光出力導波路に接続されるＮ個の第１のグレーティングカプラと前記第２のアレイ導波路型回折格子のＮ本の光出力導波路に接続されるＮ個の第２のグレーティングカプラを二列に配置することで構成されるＮ組の出力用ポートと、
測定点から発生する散乱光を受光するための受光部と、
を含み、
各前記アレイ導波路型回折格子は、
前記位相可変領域を横断して形成され導波路の上部クラッド層として機能するテーパー状の（Ｎ−１）個の液晶層と、
各前記液晶層に対して個別に正または負の電圧を印加するための電極と、
を含む、
センサ。
【請求項９】
前記受光部は、前記第１および第２のグレーティングカプラの間に配置される第３のグレーティングカプラを含む、
請求項８に記載のセンサ。
【請求項１０】
各前記位相可変領域に対して、前記アレイ導波路の経路長の短いほうから長い方にかけて拡幅する第１の液晶層および該経路長の長いほうから短い方にかけて拡幅する第２の液晶層がそれぞれ（Ｎ−１／２）個ずつ形成される（Ｎは３以上の整数）、
請求項８または９に記載のセンサ。
【請求項１１】
前記第１の液晶層と第２の液晶層が交互に形成される、
請求項１０に記載のセンサ。
【請求項１２】
前記液晶層は強誘電性液晶層である、
請求項８〜１１のいずれか一項に記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザドップラー流速計に関し、より詳細には、アレイ導波路型回折格子を利用したレーザドップラー流速計に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザドップラー流速計（ＬＤＶ：Laser Doppler Velocimeter）は、高空間分解能かつ高精度な非接触式の速度計測計である。その中でも測定点を走査可能な走査型ＬＤＶは、流路内の速度分布を高精度に計測することができるため、医療分野において、血管内の血流速度分布を非侵襲に測定する用途が期待されている。
【０００３】
ここで、図１２に基づいて、従来の走査型ＬＤＶ５００の測定機構を説明する。
【０００４】
走査型ＬＤＶ５００において、光源であるレーザ５０１から出力したレーザ光は、偏光子５０２によって一方向の偏光のみが切り出された後、スプリッタ５０３によって２つの光に分割されてレンズ光学系５０４に入射する。レンズ光学系５０４を透過した２つの光は、回転ミラー５０５ａ，５０５ｂを含んで構成される機械的可動部に入射する。
【０００５】
機械的可動部では、２つの光が測定場である流路５０７内で交差するようにその光路が変更される。ここで、走査型ＬＤＶ５００においては、ドライバ５０６が回転ミラー５０５ａ，５０５ｂの回転を制御して２つの光の光路を変更することで深さ方向の走査を実現している。流路５０７内では、２つの光が交差する測定点において干渉縞が生じ、これを通過するトレーサー粒子から発せられる散乱光が受光素子５０８によって受光される。信号処理部５０９は、受光素子５０８が受光する散乱光のビート信号の周波数を測定することよって測定点の流速を得る。
【０００６】
しかしながら、図１２に示すように、機械的な可動部を含む空間光学系でプローブ光の入射光学系を構築する場合、装置が大がかりになるという問題があった。
【０００７】
この点につき、非特許文献１は、プローブ入射光学系に機械的な可動部を用いない走査型ＬＤＶを開示する。ここで、図１３に基づいて、非特許文献１の走査型ＬＤＶ６００の測定機構を説明する。
【０００８】
図１３（ａ）に示すように、走査型ＬＤＶ６００において、光源である波長可変レーザ６０１から出力したレーザ光は、偏光子６０２によって一方向の偏光のみが切り出され、光スイッチ６０３に入射する。光スイッチ６０３には複数の偏波保持光ファイバからなる光ファイバアレイ６０４が接続されており、ドライバ６０９が光スイッチ６０３を制御して出力ポートを選択するように構成されている。
【０００９】
光ファイバアレイ６０４を構成する各光ファイバの出力端は、センサ部６１０に接続されており、各光ファイバから入射する光は、センサ部６１０において２つの光に分割された後、測定場である流路６０５内で交差するように構成されている。ここで、走査型ＬＤＶ６００では、光ファイバアレイ６０４を構成する各光ファイバの出力端が流路６０５の横方向に並設されており、光スイッチ６０３が出力ポートを切り替えることで、横方向の走査が可能となっている。
【００１０】
一方、図１３（ｂ）は、走査型ＬＤＶ６００のセンサ部６１０を拡大して示す。図１３（ｂ）に示すように、センサ部６１０内では、光ファイバアレイ６０４を構成する１本の光ファイバ６０４（ｎ）から入射した光がミラー６１２に反射してスプリッタ６１３によって２つの光に分割される。分割された２つの光は、それぞれ、回折格子６１１ａ，７２ｂに入射する。回折格子６１１ａ，７２ｂに入射した光は、回折角波長依存性によってその波長に応じた方向に回折する。その結果、２つの回折光が流路６０５内で交差する。受光素子６１４は、流路６０５内の測定点から発する散乱光を受光し、信号処理部６０７は、受光素子６１４が受光する散乱光のビート信号の周波数を測定することよって測定点の流速を得る。
【００１１】
走査型ＬＤＶ６００においては、波長可変レーザ６０１の出力波長を変更してセンサ部６１０内における２つの光の回折角を変化させることで深さ方向の走査を実現しており、これに光スイッチ６０３による出力ポートの切替を加えることで、測定場の２次元走査を実現している。
【００１２】
上述した機構においては、回折格子の回折角波長依存性を利用して光路を変更しており、機械的な可動部が不要となる分、装置を小型化することができる。しかしながら、上述した機構では、依然として、空間光学系を構築するためのスペースを必要とするため、その小型化に限界があった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】丸浩一、畑隆弘「波長可変レーザとファイバレイを用いた２次元断面走査型レーザドップラ速度計」、第６０回応用物理学会春季学術講演会、講演会予稿集p.03-069、2013
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
仮に、走査型ＬＤＶを従来よりもさらに小型化することができれば、基礎研究から臨床診断までにわたる様々な場面で、血流速度分布の計測に走査型ＬＤＶを適用する途が開かれ、循環器系疾患の診断・治療に大きな改善をもたらすものと期待される。
【００１５】
本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、本発明は、従来よりもさらに小型化された走査型ＬＤＶを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明者は、従来よりもさらに小型化された走査型ＬＤＶの構成につき鋭意検討した結果、以下の構成に想到し、本発明に至ったのである。
【００１７】
すなわち、本発明によれば、２以上の出力波長を有する波長可変レーザと、前記波長可変レーザが出射するレーザ光を分割してなる２つのプローブ光を測定点に出射し、該測定点から発生する散乱光の検出信号を出力するためのセンサ基板を備えるセンサ部と、前記出力波長および前記センサ基板に印加する電圧を可変制御するための制御手段と、前記散乱光の検出信号に基づいて流速を計測する信号処理部と、を含み、前記センサ基板は、前記レーザ光を入力するための入力用ポートと、前記入力用ポートにおいて分割された２つの光のそれぞれを入力とする２つのアレイ導波路型回折格子であって、アレイ導波路の一部に隣接する導波路の経路長の略等しい位相可変領域を有する、第１および第２のアレイ導波路型回折格子と、前記第１のアレイ導波路型回折格子のＮ本（Ｎは２以上の整数）の光出力導波路に接続されるＮ個の第１のグレーティングカプラと前記第２のアレイ導波路型回折格子のＮ本の光出力導波路に接続されるＮ個の第２のグレーティングカプラを二列に配置することで構成されるＮ組の出力用ポートと、前記散乱光を受光するための受光部と、を含み、各前記アレイ導波路型回折格子は、前記位相可変領域を横断して形成され導波路の上部クラッド層として機能するテーパー状の（Ｎ−１）個の液晶層を含み、前記制御手段は、各前記液晶層に対して個別に正または負の電圧を印加して前記位相可変領域を構成する各導波路の等価屈折率を変化させることによって、波長λのプローブ光を出射する前記出力用ポートを切り替える、レーザドップラー流速計が提供される。
【発明の効果】
【００１８】
上述したように、本発明によれば、従来よりもさらに小型化された走査型ＬＤＶが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態のレーザドップラー流速計の概略構成図。
【図２】本実施形態におけるセンサ基板の上面図。
【図３】本実施形態における入力用ポートの構成を説明するための概念図。
【図４】本実施形態における入力用ポートの構成を説明するための概念図。
【図５】実施形態において使用されるグレーティングカプラの機能を説明するための概念図。
【図６】本実施形態のレーザドップラー流速計の測定機構を説明するための概念図。
【図７】本実施形態のレーザドップラー流速計の測定機構を説明するための概念図。
【図８】位相可変領域に形成される液晶層を示す図。
【図９】液晶層の屈折率変化を説明するための概念図。
【図１０】液晶層への電圧印加のパターンと波面の傾きの関係を示す図。
【図１１】本実施形態のレーザドップラー流速計のドライバが実行する制御シーケンスを説明するための概念図。
【図１２】従来の走査型レーザドップラー流速計を示す図。
【図１３】従来の走査型レーザドップラー流速計を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。なお、以下に参照する各図においては、共通する要素について同じ符号を用い、適宜、その説明を省略するものとする。
【００２１】
図１は、本発明の実施形態であるレーザドップラー流速計１０の概略構成図を示す。図１（ａ）に示すように、本実施形態のレーザドップラー流速計１０は、光源として波長可変レーザ１１を備えており、波長可変レーザ１１から出力されたレーザ光は、偏光子１２によって一方向の偏光のみが切り出された後、光ファイバ１３を伝播してセンサ部１４に入力される。センサ部１４には、センサ基板１００が搭載されており、光ファイバ１３はセンサ基板１００に対して光学的に接続される。
【００２２】
図１（ｂ）は、センサ部１４に搭載されるセンサ基板１００の側面図を示す。光ファイバ１３を伝播する光は、センサ基板１００の入力用ポート２０に入力された後、センサ基板１００に形成されるアレイ導波路型回折格子３０内を伝播して出力用ポート５０から流路１５に向かってプローブ光として出射される。ここで、出力用ポート５０は複数のポートからなり、制御手段としてのドライバ１９が信号線１８を介してアレイ導波路型回折格子３０に制御電圧を印加することで、プローブ光を出射する出力用ポートが択一的に選択されるように構成されている。
【００２３】
一方、流路１５内の測定点において発生する散乱光は、センサ基板１００に形成される受光部（図示せず）によって受光され、フォトダイオードなどとして参照される受光素子７０によって電気信号に変換される。変換された電気信号は、信号線１６を介して信号処理部１７へ出力される。信号処理部１７は、センサ基板１００から入力される散乱光のビート信号の周波数を測定することよって測定点の流速を得る。
【００２４】
以上、本実施形態のレーザドップラー流速計１０の概略構成について説明してきたが、続いて、センサ基板１００について説明する。
【００２５】
図２は、本実施形態におけるセンサ基板１００の上面図を示す。本実施形態において、センサ基板１００は、シリコンフォトニクスによりＳｉコアとＳｉＯ２クラッドからなる光導波路を含む光回路基板として形成されている。
【００２６】
図２に示すように、センサ基板１００には、２つの等価なアレイ導波路型回折格子（以下、ＡＷＧという）が対向する形で形成されている。第１のＡＷＧ３０ａは、入力用ポート２０に接続される光入力導波路３２ａと、光入力導波路３２ａに接続されるスラブ導波路３４ａと、５本の光出力導波路３８ａに接続されるスラブ導波路３７ａと、スラブ導波路３４ａの出射側とスラブ導波路３７ａの入射側を接続する複数の導波路からなるアレイ導波路３６ａを含んで構成されている。同様に、第２のＡＷＧ３０ｂは、入力用ポート２０に接続される光入力導波路３２ｂと、光入力導波路３２ｂに接続されるスラブ導波路３４ｂと、５本の光出力導波路３８ｂに接続されるスラブ導波路３７ｂと、スラブ導波路３４ｂの出射側とスラブ導波路３７ｂの入射側を接続する複数の導波路からなるアレイ導波路３６ｂを含んで構成されている。ここで、図２に示す例では、スラブ導波路３４ａとスラブ導波路３４ｂ、ならびに、スラブ導波路３７ａとスラブ導波路３７ｂを一体化して形成している。
【００２７】
第１のＡＷＧ３０ａの５本の光出力導波路３８ａのそれぞれの先端には、出力用ポートとして機能するグレーティングカプラ５０ａが接続され、同様に、第２のＡＷＧ３０ｂの５本の光出力導波路３８ｂのそれぞれの先端には、出力用ポートとして機能するグレーティングカプラ５０ｂが接続されている。
【００２８】
本実施形態においては、５個のグレーティングカプラ５０ａからなる列と５個のグレーティングカプラ５０ｂからなる列が互いに対向する形で平行に配置されており、その二列の間に散乱光を受光するための受光部が配置される。本実施形態においては、測定点からの散乱光を効率よく受光してＳ／Ｎ比を確保するために大面積のグレーティングカプラ６０が二列の間に配置されている。ここで、グレーティングカプラ６０が受光した散乱光は、グレーティングカプラ６０に光学的に接続される受光素子７０において光電変換され、信号処理部１７へ電気信号として出力される。
【００２９】
以上、センサ基板１００の構成について概説してきたが、続いて、入力用ポート２０に入力された光が上述したＡＷＧ３０ａ，３０ｂにおいて分波されて出力するまで過程を説明する。
【００３０】
本実施形態において、センサ基板１００に入力された光は、入力用ポート２０において分割され、光入力導波路３２ａおよび光入力導波路３２ｂのそれぞれに分岐する。ここで、本実施形態における入力用ポート２０は、例えば、グレーティングカプラと光分岐手段を用いて構成することができる。
【００３１】
具体的には、図３（ａ）に示すように、光ファイバ１３の出力端をセンサ基板１００の裏側に所定の角度をもって配置し、基板の裏からグレーティングカプラに対して光が入射するように構成した上で、グレーティングカプラの下流に任意の光分岐手段（Ｙ分岐、マルチモード干渉計、方向性結合器など：図４参照）を光学的に接続する。この場合、センサ基板１００の裏側から入射した光は、グレーティングカプラを経て下流の光分岐手段に向かって進行する。
【００３２】
なお、本実施形態においては、図３（ｂ）に示すように、光ファイバ１３の出力端をセンサ基板１００の表側に所定の角度をもって配置し、基板の表側からグレーティングカプラに対して光が入射するように構成してもよい。また、図３（ｃ）に示すように、光ファイバ１３の出力端をセンサ基板１００の端面に対向するように配置することで、光ファイバ１３と光導波路のＳｉコアを光学的に接続してもよい（端面結合法）。
【００３３】
ここで、本実施形態において使用されるグレーティングカプラについて図５に基づいて説明する。
【００３４】
導波路の端部に形成される回折格子が下記式（１）を満たす場合、当該導波路内を伝播する光は、当該端部の回折格子において、図５（ａ）に示すように、格子面に対して傾角θをもった波面で出射する。
【００３５】
【数１】
2015172540.tif 000003
【００３６】
上記式（１）において、ｍは回折次数（整数）を示し、λは導波路を伝播する光の波長を示し、ｎｅｑは、導波路の等価屈折率を示し、Λ１は格子周期を示す。
【００３７】
同様に、導波路の端部に形成される回折格子が上記式（１）を満たす場合、当該端部の回折格子の格子面に対して傾角θをもった波面で入射する光は、光の相反性により、図５（ｂ）に示すように、当該回折格子に接続される導波路内を伝播する光に結合する。
【００３８】
本実施形態において使用されるグレーティングカプラは、上述した回折格子の性質を利用したものであり、導波路に接続されるグレーティングカプラは、導波路から伝播する光をその波長に応じた出射角でカプラ面から出射し、また、カプラ面から所定の入射角で入射してくる所定の波長光を導波路内に伝播させる機能を有する。
【００３９】
再び、図２に戻って説明を続ける。波長多重光が入力用ポート２０に入力された場合、分岐した一方の光（波長多重光）は、光入力導波路３２ａを通ってスラブ導波路３４ａに導入される。スラブ導波路３４ａに導入された光は、その回折効果によって広がってアレイ導波路３６ａを構成する各導波路に入射する。
【００４０】
その後、光はアレイ導波路３６ａを伝播してスラブ導波路３７ａに導入される。スラブ導波路３７ａに導入された光は、その回折効果によって集光する。
【００４１】
ここで、アレイ導波路３６ａを構成する各導波路は、隣り合う導波路の経路長が互いにΔＬ異なるように形成されているため、アレイ導波路３６ａを伝播する過程で各導波路の光に位相のずれが生じる。ＡＷＧ３０ａにおいては、この位相のずれ量に応じて集束光の波面が傾き、その傾き角度に応じてスラブ導波路３７ａの出射側における集光位置が決まる。
【００４２】
このとき、アレイ導波路３６ａからスラブ導波路３７ａに入射した光の回折角は光の波長λによって異なるため、波長ごとに異なる位置に集光する。これに対し、スラブ導波路３７ａの出射側には、各波長光の集光位置に光出力導波路３８ｂを構成する５本の導波路の入口が形成されており、各波長光は、当該５本の導波路のそれぞれに入射する。
【００４３】
光出力導波路３８ａを構成する５本の導波路に入射した光は、それぞれの出射端に接続されるグレーティングカプラ５０ａに到達すると、先に図５で説明したように、その波長に応じた出射角でカプラ面からセンサ基板１００の面外方向に出射する。
【００４４】
以上、説明したように、ＡＷＧ３０ａは、入力用ポート２０から波長多重光が入力された場合にこれを５種類の波長光に分波する能力を有しており、ＡＷＧ３０ａが分波する光の中心波長は、アレイ導波路３６ａを構成する各導波路の経路長差（ΔＬ）とその等価屈折率に比例する。
【００４５】
これまで説明してきた内容は、ＡＷＧ３０ａと等価な構成を有するＡＷＧ３０ｂにおいても同様であり、ＡＷＧ３０ｂは、入力用ポート２０から波長多重光が入力された場合にこれを５種類の波長光に分波して５つのグレーティングカプラ５０ｂからセンサ基板１００の面外方向に出射する。
【００４６】
以上、入力用ポート２０に入力された光がＡＷＧ３０ａ，３０ｂにおいて分波されて出力するまでの過程について概説してきたが、本実施形態のレーザドップラー流速計１０においては、上述したＡＷＧの分波機能を利用してプローブ光の出力ポートのスイッチングを実現する。ここで、改めて、当該スイッチングを含んだレーザドップラー流速計１０の測定機構について説明する。なお、以下の説明においては、適宜、図１を参照するものとする。
【００４７】
レーザドップラー流速計１０において、波長可変レーザ１１から出力した波長λ１のレーザ光が光ファイバ１３を経てセンサ基板１００の入力用ポート２０に入力すると、対向して配置される一組のグレーティングカプラ５０ａ，５０ｂのそれぞれから波長λ１の光がセンサ基板１００の面外方向に出射する。ここで、一組のグレーティングカプラ５０ａ，５０ｂは、それぞれから同じ波長の光が出射した場合に２つの光路が交差するように位置決め配置されているため、図６（ａ）に示すように、グレーティングカプラ５０ａ，５０ｂのそれぞれから出射した波長λ１の光は測定点で交差して干渉縞を生じさせる。
【００４８】
測定点において生じた干渉縞を通過するトレーサー粒子から散乱光は、図６（ｃ）に示すように、一組のグレーティングカプラ５０ａ，５０ｂの間に配置されたグレーティングカプラ６０によって受光される。グレーティングカプラ６０において受光された散乱光は、これに光学的に接続される受光素子７０において電気信号に変換された後、信号線１６を介して信号処理部１７に出力される。信号処理部１７では、受光素子７０から入力された散乱光のビート信号の周波数を測定することよって測定点の流速を得る。
【００４９】
同様に、波長可変レーザ１１から波長λ２のレーザ光を出力すると、グレーティングカプラ５０ａ，５０ｂのそれぞれから波長λ２の光が出射して測定点で干渉縞を生じさせる。このとき、グレーティングカプラ５０ａ，５０ｂから出射する光は、図６（ｂ）に示すように、波長に応じてその出射角が変化する。本実施形態では、このことを利用し、波長可変レーザ１１の出力波長をスイッチングすることで、図６（ａ）に示すように、深さ方向の走査を実現しようとするものである。
【００５０】
しかしながら、図７に示すように、通常のＡＷＧにおいては、分波される光はその波長によって固定された位置にしか出力されないので、波長可変レーザ１１の出力波長をスイッチングしたところで、異なる波長光が出力ポートを変えて出射されるだけであり、このままでは、横方向の走査および深さ方向の走査のいずれも実現することができない。
【００５１】
ここで、２次元の走査を実現するためには、５つの出力ポートのそれぞれにおいて全ての波長（λ１、λ２、λ３、λ４、λ５）を出射させるための構成が必要となる。この点につき、本実施形態においては、アレイ導波路３６の上に形成された液晶層４０へ電圧を印加することによって各出力ポートから全ての波長を出射させることで２次元の走査を実現する。以下、各出力ポートから全ての波長を出射させるための機構について説明する。
【００５２】
図７に示すように、本実施形態におけるアレイ導波路（３６ａ，３６ｂ）は、その中央部分において、複数の直線状の導波路が互いに平行に並設された領域を有する。以下、この領域を位相可変領域という。この位相可変領域においては、隣り合う導波路の経路長が略等しくなっており、本実施形態では、この位相可変領域を構成する複数の導波路を横断する形で液晶層４０ａ，４０ｂが形成されている。
【００５３】
図８（ａ）は、アレイ導波路３６ａの位相可変領域に形成される液晶層４０ａを拡大して示す。図８（ａ）に示すように、液晶層４０ａは、アレイ導波路３６ａの経路長が短いほうから長い方にかけて拡幅する二等辺三角形状を有する２つの液晶層４０（イ）とアレイ導波路３６ａの経路長が長いほうから短い方にかけて拡幅する二等辺三角形状を有する２つの液晶層４０（ロ）からなり、液晶層４０（イ）と液晶層４０（ロ）が光の伝播方向に交互に形成されている。なお、液晶層４０の形状は、二等辺三角形に限定されるものではなく、アレイ導波路３６ａの横断方向において拡幅するテーパー形状を有していればよい。
【００５４】
図８（ｂ）は、図８（ａ）におけるＸ−Ｘ’線の断面図を示す。図８（ｂ）に示すように、液晶層４０（イ），（ロ）は、その直下に位置するアレイ導波路３６ａの上部クラッド層を構成している。そして、液晶層４０（イ），（ロ）のそれぞれの上層には、透明電極（ＩＴＯ）が形成されている（なお、他の図では透明電極の図示を省略している）。本実施形態においては、４つの液晶層４０（イ），（ロ），（ハ），（ニ）のそれぞれに配設された電極を介して個別に電圧を印加することができるように構成されている。
【００５５】
ここで、液晶層４０を構成する液晶分子は、屈折率異方性と呼ばれる複屈折率を有する物質であり、液晶分子の屈折率は、電界振動方向に対する方向によって、図９（ａ）に示すように、異常光屈折率ｎｅ（最も屈折率が高い状態）または常光屈折率ｎｏ（最も屈折率が低い状態）のいずれに変化する。
【００５６】
つまり、本実施形態においては、図９（ｂ）に示すように、液晶層４０に対して正電荷を印加して液晶分子を配向方向（破線で示す）から＋θtiltだけ傾けることによって液晶層４０の屈折率が増加し、液晶層４０に対して負電荷を印加して液晶分子を配向方向（破線で示す）から−θtiltだけ傾けることによって液晶層４０の屈折率が減少するように構成されている。すなわち、本実施形態においては、液晶層４０に対して正または負の電圧を印加することによって、液晶層４０の屈折率が２つの状態（屈折率高・屈折率低）の間を遷移するように構成されている。
【００５７】
本実施形態においては、液晶層４０の屈折率が変化することに応答して、当該液晶層４０を上部クラッド層とする各導波路の等価屈折率（位相）が変化する。ここで、再び、図８を参照すると、液晶層４０は、アレイ導波路３６ａを構成する複数の導波路を横断する形でテーパー形状に形成されているため、液晶層４０（イ），（ロ）の直下においては、液晶層が上部クラッド層として装荷される長さ（以下、液晶層装荷長という）が外側（経路長の長い側）に向かうほど長くなる結果、外側に向かうほど位相の変化が大きく現れるようになる。一方、液晶層４０（ハ），（ニ）の直下においては、液晶層装荷長が内側（経路長の短い側）に向かうほど長くなる結果、内側に向かうほど位相の変化が大きく現れるようになる。
【００５８】
図１０は、液晶層４０への電圧印加のパターンとそれによって生じる波面の傾きの関係を示す。まず、図１０（ａ）に示す、４つの液晶層４０（イ）〜（ニ）の全てに対して負の電圧を印加した場合を考える。この場合、液晶層４０（イ），（ロ）の直下のアレイ導波路３６は外側（経路長の長い側）に向かうほど屈折率が減少し、液晶層４０（ハ），（ニ）の直下のアレイ導波路３６は内側（経路長の短い側）に向かうほど屈折率が減少する。この場合、両者の効果が相殺される結果、位相可変領域において位相の変化は生じず波面が変化しないので、所定の波長光は、本来の出力位置である出力ポートから出射する。なお、このことは４つの液晶層４０（イ）〜（ニ）の全てに対して正の電圧を印加した場合についても同じである。
【００５９】
次に、図１０（ｂ）に示すように、液晶層４０（イ）に対して正の電圧を印加し、残りの液晶層４０（ハ），（ロ），（ニ）に対して負の電圧を印加した場合を考える。ここでは、液晶層４０（ハ）と（ロ）は効果を相殺するので、液晶層４０（イ）と（ニ）に着目する。この場合、液晶層４０（イ）の直下のアレイ導波路３６は外側に向かうほど屈折率が増加して位相が遅れ、液晶層４０（ニ）の直下のアレイ導波路３６は内側に向かうほど屈折率が減少して位相が進む。その結果、波面は図１０（ｂ）に示すように傾く。この場合、所定の波長光は、本来の出力位置を基準として＋１シフトした他の出力ポートから出射する。
【００６０】
次に、図１０（ｃ）に示すように、液晶層４０（イ），（ロ）に対して正の電圧を印加し、残りの液晶層４０（ハ），（ニ）に対して負の電圧を印加した場合を考える。この場合、液晶層４０（イ），（ロ）の直下のアレイ導波路３６は外側に向かうほど屈折率が増加して位相が遅れ、液晶層４０（ハ），（ニ）の直下のアレイ導波路３６は内側に向かうほど屈折率が減少して位相が進む。その結果、波面は図１０（ｃ）に示すように傾く。この場合、所定の波長光は、本来の出力位置を基準として＋２シフトした他の出力ポートから出射する。
【００６１】
次に、図１０（ｄ）に示すように、液晶層４０（ハ）に対して正の電圧を印加し、残りの液晶層４０（イ），（ロ），（ニ）に対して負の電圧を印加した場合を考える。ここでは、液晶層４０（ロ）と（ニ）は効果を相殺するので、液晶層４０（イ）と（ハ）に着目する。この場合、液晶層４０（イ）の直下のアレイ導波路３６は外側ほど屈折率が減少して位相が進み、液晶層４０（ハ）の直下のアレイ導波路３６は内側ほど屈折率が増加して位相が遅れる。その結果、波面は図１０（ｄ）に示すように傾く。この場合、所定の波長光は、本来の出力位置を基準として−１シフトした他の出力ポートから出射する。
【００６２】
次に、図１０（ｅ）に示すように、液晶層４０（イ），（ロ）に対して負の電圧を印加し、残りの液晶層４０（ハ），（ニ）に対して正の電圧を印加した場合を考える。この場合、液晶層４０（イ），（ロ）の直下のアレイ導波路３６は外側に向かうほど屈折率が減少して位相が進み、液晶層４０（ハ），（ニ）の直下のアレイ導波路３６は内側に向かうほど屈折率が増加して位相が遅れる。その結果、波面は図１０（ｅ）に示すように傾く。この場合、所定の波長光は、本来の出力位置を基準として−２シフトした他の出力ポートから出射する。
【００６３】
以上、液晶層４０への電圧印加のパターンとそれによって生じる波面の傾きの関係について説明してきたが、本実施形態においては、液晶層４０として強誘電性液晶（ＦＬＣ：Ferroelectric liquid-crystal)を採用することが好ましい。ＦＬＣは、屈折率差が0.143(ne=1.653，nO=1.51)と大きい上に、優れた応答速度（数十[μs]）を持ち、加えて、自発分極によるメモリー性（最後に電圧を印加した状態での液晶分子の傾きを維持する）を有するため液晶の制御に係る消費電力を抑えることができる。
【００６４】
続いて、これまで説明してきた内容を前提として、２次元の走査を実現するためにドライバ１９が実行する制御シーケンスを図１１に基づいて説明する。なお、以下の説明においては、適宜、図１を参照するものとする。
【００６５】
本実施形態においては、測定にあたり、ドライバ１９が以下のステップ１〜ステップを繰り返し実行する。
【００６６】
まず、ステップ１においては、波長可変レーザ１１の出力波長を波長λ１に制御するとともに、当該期間において、出力ポートのシフト量が[-2]→[-1]→[0]→[+1]→[+2]の順番で遷移するように液晶層４０ａ，４０ｂに印加する電圧を制御する（各シフト量に対応する電圧印加のパターンは図１０を参照のこと。以下、同様）。その結果、波長λ１の光の出力ポートが[4]→[5]→[1]→[2]→[3]の順番で切り替わる。
【００６７】
続くステップ２においては、波長可変レーザ１１の出力波長を波長λ２に制御するとともに、当該期間において、出力ポートのシフト量が[-2]→[-1]→[0]→[+1]→[+2]の順番で遷移するように液晶層４０ａ，４０ｂに印加する電圧を制御する。その結果、波長λ２の光の出力ポートが[5]→[4]→[3]→[2]→[1]の順番で切り替わる。
【００６８】
続くステップ３においては、波長可変レーザ１１の出力波長を波長λ３に制御するとともに、当該期間において、出力ポートのシフト量が[-2]→[-1]→[0]→[+1]→[+2]の順番で遷移するように液晶層４０ａ，４０ｂに印加する電圧を制御する。その結果、波長λ３の光の出力ポートが[1]→[2]→[3]→[4]→[5]の順番で切り替わる。
【００６９】
続くステップ４においては、波長可変レーザ１１の出力波長を波長λ４に制御するとともに、当該期間において、出力ポートのシフト量が[-2]→[-1]→[0]→[+1]→[+2]の順番で遷移するように液晶層４０ａ，４０ｂに印加する電圧を制御する。その結果、波長λ４の光の出力ポートが[2]→[3]→[4]→[5]→[1]の順番で切り替わる。
【００７０】
続くステップ５においては、波長可変レーザ１１の出力波長を波長λ５に制御するとともに、当該期間において、出力ポートのシフト量が[2]→[-1]→[0]→[+1]→[+2]の順番で遷移するように液晶層４０ａ，４０ｂに印加する電圧を制御する。その結果、波長λ５の光の出力ポートが[3]→[4]→[5]→[1]→[2]の順番で切り替わる。
【００７１】
図１１を見れば明らかなように、本実施形態においては、液晶層４０ａ，４０ｂへの印加電圧の制御タイミングに同期して測定点が横方向に移動するとともに、波長可変レーザ１１の出力波長の切替タイミングに同期して測定点が深さ方向に移動する。つまり、図１１に示すシーケンス制御によれば、横方向を主走査方向とし、深さ方向を副走査方向とする２次元走査が実現される。なお、別のシーケンスを採用することによって、深さ方向を主走査方向とし、横方向を副走査方向とする２次元走査が実現しうることは容易に理解されるところであろう。
【００７２】
なお、これまで、５種類の波長光を５組の出力ポート（出力チャンネル）においてスイッチングする実施形態に基づいて説明してきたが、これはあくまで説明のための例示的な態様であり、本発明においては、２以上の任意の数の出力チャンネルスイッチングするように構成しうることはいうまでもない。例えば、２個の出力チャンネルを切り替える最小のケースでは、各ＡＷＧに対して１個の液晶層４０を形成すればよい。また、Ｎ個（Ｎは３以上の整数）の出力チャンネルを切り替える場合は、各ＡＷＧに対して、経路長の短いほうから長い方にかけて拡幅する第１の液晶層と経路長の長いほうから短い方にかけて拡幅する第２の液晶層をそれぞれ（Ｎ−１／２）個ずつ形成すればよい。
【００７３】
最後に、液晶層４０の設計方法について説明する。
【００７４】
本実施形態においては、出力ポートのシフトを回折次数の変更により行う。ここで、回折次数を１次変更した場合はFSR（free spectral range）だけ出力波長が切り替わる。下記式（２）にFSRの関係式を示す。
【００７５】
【数２】
2015172540.tif 000004
【００７６】
上記式（２）において、Nは出力チャンネル数を示し、Δλはチャンネル波長間隔を示す。
【００７７】
本実施形態においては、下記式（３）によりNpポートを切り替えるために必要な光路差ｎeff・ΔL1を求める。
【００７８】
【数３】
2015172540.tif 000005
【００７９】
上記式（３）において、λは中心波長を示し、ｎeffは導波路の等価屈折率を示し、ｎeff・ΔLは必要光路差を示し、Npは切り替えポート数を示す。
【００８０】
次に、求めた光路差を液晶によって得るための液晶装荷長を算出する。配向方向を中心として、液晶の±θtiltによってつくられる光路は下記式（４）で表すことができる。
【００８１】
【数４】
2015172540.tif 000006
【００８２】
上記式（４）において、Lは必要光路差を得るための液晶装荷長を示し、ｎ±θeffは液晶動作時の導波路の等価屈折率を示す。
【００８３】
上記式（４）をLについて整理すると下記式（５）が得られる。
【００８４】
【数５】
2015172540.tif 000007
【００８５】
本実施形態においては、上記式（５）から必要光路差を得るための液晶装荷長Lを求めることができ、アレイ導波路ごとにLを整数倍することで、テーパー状の液晶装荷領域のサイズを設計することができる。具体的には、アレイ導波路の本数Nは下記式（６）となる。
【００８６】
【数６】
2015172540.tif 000008
【００８７】
上記式（６）において、Dは入出力導波路間隔であり、XFSRは下記式（７）で表される自由空間間隔である。
【００８８】
【数７】
2015172540.tif 000009
【００８９】
上記式（７）において、fはスラブ導波路の曲率半径、nsはスラブ導波路の等価屈折率、dはアレイ導波路とスラブ接続部との接続部でのアレイ導波路間隔である。
【００９０】
本実施形態においては、アレイ導波路において隣接する導波路の液晶装荷長がLずつ異なり、その最大長がN×Lとなるように、テーパー状の液晶層４０のサイズを設計すればよい。
【００９１】
以上、説明したように、本発明によれば、従来よりもさらに小型化された走査型レーザドップラー流速計が提供される。本発明のレーザドップラー流速計は、シリコンフォトニクスによる光配線を採用するため光軸調整が不要となり、また、原理的に光軸ずれが生じないため耐衝撃性に優れている。また、シリコン導波路の強い光閉じ込めにより超小型プローブを実現することができ、CMOSプロセスを用いた導波路形成により容易に量産することができる。加えて、電界による液晶の屈折率変化を利用してスイッチング制御を行うため、従来のような熱光学効果や電流注入を利用する構成に比較して格段に消費電力が少なく、また、素子間での熱干渉の心配がないため高密度集積化に対応しうる。
【００９２】
本発明のレーザドップラー流速計は、生体組織透過性の高い近赤外域で発光する波長可変レーザを用いて血管近傍に小型プローブを取り付けて血流速度分布を非侵襲に計測するといった臨床医療への適用が大いに期待できる。ただし、本発明は、その用途を限定するものではないことはいうまでもない。
【００９３】
以上、本発明について実施形態をもって説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、その他、当業者が推考しうる実施態様の範囲内において、本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。
【００９４】
上述した実施形態の各機能は、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、Ｊａｖａ（登録商標）などで記述された装置実行可能なプログラムにより実現でき、本実施形態のプログラムは、ハードディスク装置、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤ、フレキシブルディスク、ＥＥＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭなどの装置可読な記録媒体に格納して頒布することができ、また他装置が可能な形式でネットワークを介して伝送することができる。
【符号の説明】
【００９５】
１０…レーザドップラー流速計
１１…波長可変レーザ
１２…偏光子
１３…光ファイバ
１４…センサ部
１５…流路
１６…信号線
１７…信号処理部
１８…信号線
１９…ドライバ
２０…入力用ポート
３０…アレイ導波路型回折格子
３２…光入力導波路
３４…スラブ導波路
３６…アレイ導波路
３７…スラブ導波路
３８…光出力導波路
４０…液晶層
５０…出力用ポート（グレーティングカプラ）
６０…グレーティングカプラ
７０…受光素子
１００…センサ基板
５００…走査型ＬＤＶ
５０１…レーザ
５０２…偏光子
５０３…スプリッタ
５０４…レンズ光学系
５０５…回転ミラー
５０６…ドライバ
５０７…流路
５０８…受光素子
５０９…信号処理部
６００…走査型ＬＤＶ
６０１…波長可変レーザ
６０２…偏光子
６０３…光スイッチ
６０４…光ファイバアレイ
６０５…流路
６０７信号処理部
６０９…ドライバ
６１０…センサ部
６１１…回折格子
６１２…ミラー
６１３…スプリッタ
６１４…受光素子
【図１】
2015172540.tif 000010
【図２】
2015172540.tif 000011
【図３】
2015172540.tif 000012
【図４】
2015172540.tif 000013
【図５】
2015172540.tif 000014
【図６】
2015172540.tif 000015
【図７】
2015172540.tif 000016
【図８】
2015172540.tif 000017
【図９】
2015172540.tif 000018
【図１０】
2015172540.tif 000019
【図１１】
2015172540.tif 000020
【図１２】
2015172540.tif 000021
【図１３】
2015172540.tif 000022