(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024111452
(43)【公開日】2024-08-19
(54)【発明の名称】光制御デバイス
(51)【国際特許分類】
G02F 1/295 20060101AFI20240809BHJP
【ＦＩ】
G02F1/295
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023015970
(22)【出願日】2023-02-06
(71)【出願人】
【識別番号】000004352
【氏名又は名称】日本放送協会
(74)【代理人】
【識別番号】110001807
【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所
(72)【発明者】
【氏名】平野 芳邦
(72)【発明者】
【氏名】三浦 雅人
(72)【発明者】
【氏名】宮本 裕司
(72)【発明者】
【氏名】町田 賢司
【テーマコード（参考）】
2K102
【Ｆターム（参考）】
2K102AA21
2K102AA28
2K102BA07
2K102BA10
2K102BB04
2K102BB08
2K102BC04
2K102BC10
2K102BD01
2K102BD09
2K102CA20
2K102DA04
2K102DC08
2K102DD01
2K102DD02
2K102DD05
2K102EA02
2K102EA05
2K102EA18
2K102EA21
2K102EB08
2K102EB14
(57)【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
【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】
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。
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。
【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。
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。
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。
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。
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。
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。
【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。１ｘ２ ＭＭＩ光スプリッタ２０は、１つの入射光を２つの光導波路に分配する素子である。例えば１６本のマルチチャネル光導波路に分配するには、１ｘ２ ＭＭＩ光スプリッタ２０を１５個接続して配置することができる。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、１ｘＮ ＭＭＩ光スプリッタやスターカプラなどを用いることも可能である。
【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ｎ0として次の式（１）で与えられる。
ｎ＝ｎ0－0.5ｒ33ｎ3Ｅ … 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ｒ33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。
ｎ＝ｎ0－0.5ｒ33ｎ3Ｅ … 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ｒ33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φn＝２πｎＬ／λだけ変化する。外部電界がない場合の位相の変化φn0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）＝φn－φn0＝２π（ｎ－ｎ0）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（ｎ0－0.5ｒ33ｎ0 3Ｅ－ｎ0）Ｌ／λ＝－πｒ33ｎ0 3ＥＬ／λ…式（２）
Δφ（Ｅ）＝φn－φn0＝２π（ｎ－ｎ0）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（ｎ0－0.5ｒ33ｎ0 3Ｅ－ｎ0）Ｌ／λ＝－πｒ33ｎ0 3ＥＬ／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】
ＯＰＡ９０１より出力される光ビームは、光出力部９０７より出射された複数の出射光による干渉により形成される。出射光の位相は位相制御部９１０で任意に調節できるため、これを通じて光ビームの波面形状を自由に制御することができる。
ＯＰＡ９０１による光ビーム制御動作を、偏向を例にとり説明する。以下の説明において、入射光は、波長λで基本ＴＭモードの伝搬光とする。位相制御部９１０の作用により位相制御された光が光出力部９０７より出射すると、複数の出射光による干渉パターンが形成される。これがＯＰＡ９０１により形成される光ビームである。
図１６において、光出力部９０７は、例えば間隔pで基板平面における直線（以下、出射端線と称す）上に配置されている。各光出力部９０７からの出射光の光位相が出射端線上で同一であるとき、光ビームは平行光となる。
また、ＯＰＡ９０１の出射光の光位相が光出力部９０７において線形の傾きを有するとき、光ビームは、出射端線と直交する方向に対して有限の角度をもつ平行光となる。
たとえば、光出力部９０７における光位相がチャネル番号に比例して遅れており、かつ、隣接する光出力部９０７における位相差がdFであるとき、光出力部９０７の出力光は、図１７（ａ）に示すように角度θ＝sin-1((dF/2π)(λ/p))だけ偏向した光ビームになる。
したがって、光ビームの偏向制御を行うには、光出力部９０７における光位相が、チャネル番号に対して線形に変化するよう、位相制御部９１０により制御する。
なお、前記の例において光出力部９０７における光位相がチャネル番号に比例して進んでいる場合、光ビームは、角度θ＝sin-1((-dF/2π)(λ/p))だけ傾斜した方向すなわち光出力部９０７が配列される方向と直交する方向に対し、前記の例と逆方向に偏向される。
ＯＰＡ９０１による光ビーム制御動作を、偏向を例にとり説明する。以下の説明において、入射光は、波長λで基本ＴＭモードの伝搬光とする。位相制御部９１０の作用により位相制御された光が光出力部９０７より出射すると、複数の出射光による干渉パターンが形成される。これがＯＰＡ９０１により形成される光ビームである。
図１６において、光出力部９０７は、例えば間隔pで基板平面における直線（以下、出射端線と称す）上に配置されている。各光出力部９０７からの出射光の光位相が出射端線上で同一であるとき、光ビームは平行光となる。
また、ＯＰＡ９０１の出射光の光位相が光出力部９０７において線形の傾きを有するとき、光ビームは、出射端線と直交する方向に対して有限の角度をもつ平行光となる。
たとえば、光出力部９０７における光位相がチャネル番号に比例して遅れており、かつ、隣接する光出力部９０７における位相差がdFであるとき、光出力部９０７の出力光は、図１７（ａ）に示すように角度θ＝sin-1((dF/2π)(λ/p))だけ偏向した光ビームになる。
したがって、光ビームの偏向制御を行うには、光出力部９０７における光位相が、チャネル番号に対して線形に変化するよう、位相制御部９１０により制御する。
なお、前記の例において光出力部９０７における光位相がチャネル番号に比例して進んでいる場合、光ビームは、角度θ＝sin-1((-dF/2π)(λ/p))だけ傾斜した方向すなわち光出力部９０７が配列される方向と直交する方向に対し、前記の例と逆方向に偏向される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0012】
【特許文献1】米国特許第５０９３７４０号明細書
【非特許文献】
【0013】
【非特許文献1】Paul F. McManamon, et al., “A Review of Phased Array Steering for Narrow-Band Electrooptical Systems”, Proceedings of the IEEE, Vol.97, Issue: 6, June 2009, p.1078-1096
【非特許文献2】平野芳邦、外７名、「電気光学ポリマーを用いた４μｍピッチ光フェーズドアレイによる偏向動作」、映像情報メディア学会誌、2019年、Vol.73, No.2, pp.392-396
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0014】
図１６に示すＯＰＡ９０１において、チャネルj（j: 0, 1, 2,…, 7）における出射光の光位相Fjが光出力部９０７において２次の位相分布をとるとき、光ビームは、図１７（ｂ）に示すように、出射端線と直交する方向に焦点を結ぶ。焦点は、レンズを用いた光の絞りと同様に、光ビーム断面の幅が最小となる点を表す。
光出力部９０７の間隔をp、チャネル数をN（図１６ではN＝８）としたとき、たとえば、出射端線におけるチャネル3とチャネル4の中点（以下、基準点と称す）からチャネルjの出射端までの距離は、｜jp－(N－1)p/2｜である。そのため、次の式（３）に示す光位相Fjの位相分布を、各チャネルの出射端に与えると、出射端線と直交し、かつ基準点を通る直線（以下、中心線と称す）上で、出射端よりfの位置に焦点が形成される。
Fj＝2π(jp－3.5p)2/(2fλ) （j: 0, 1, 2,…, 7） …式（３）
なお、λは入射光の波長を示し、fは焦点距離であって、出射端の一次元配列を含む直線（出射端線）から焦点までの距離を表す。
したがって、光ビームの焦点制御を行うには、光出力部９０７における光位相が、式（３）に示す光位相Fjの位相分布となるよう位相制御部９１０により制御を行えばよい。
光出力部９０７の間隔をp、チャネル数をN（図１６ではN＝８）としたとき、たとえば、出射端線におけるチャネル3とチャネル4の中点（以下、基準点と称す）からチャネルjの出射端までの距離は、｜jp－(N－1)p/2｜である。そのため、次の式（３）に示す光位相Fjの位相分布を、各チャネルの出射端に与えると、出射端線と直交し、かつ基準点を通る直線（以下、中心線と称す）上で、出射端よりfの位置に焦点が形成される。
Fj＝2π(jp－3.5p)2/(2fλ) （j: 0, 1, 2,…, 7） …式（３）
なお、λは入射光の波長を示し、fは焦点距離であって、出射端の一次元配列を含む直線（出射端線）から焦点までの距離を表す。
したがって、光ビームの焦点制御を行うには、光出力部９０７における光位相が、式（３）に示す光位相Fjの位相分布となるよう位相制御部９１０により制御を行えばよい。
【0015】
また、焦点位置を出射端線に沿って u だけシフトさせるには、式（３）を次の式（４）のように変更すればよい。
Fj＝2π(jp－3.5p－u)2/(2fλ) （j: 0, 1, 2,…, 7） …式（４）
また、焦点制御と偏向制御とを同時に行うには、式（４）で与えられる光位相Fj に対して、さらに位相差dFを加算した位相分布を位相制御部９１０により与えればよい。すなわち、焦点距離f・焦点シフトu・偏向角度θの光ビームを得るには、次の式（５）に基づいて位相分布を与えればよい。
Fj＝2π[(jp－3.5p－u)2/(2f)＋jp sinθ]/λ （j: 0, 1, 2,…, 7） …式（５）
ここでは特に空間光ビーム制御において重要な偏向・焦点制御の原理について述べたが、ＯＰＡ９０１では光導波路の出力端における光位相分布を適切に選ぶことにより、出力される光ビームパターンを自在に制御することが可能である。
Fj＝2π(jp－3.5p－u)2/(2fλ) （j: 0, 1, 2,…, 7） …式（４）
また、焦点制御と偏向制御とを同時に行うには、式（４）で与えられる光位相Fj に対して、さらに位相差dFを加算した位相分布を位相制御部９１０により与えればよい。すなわち、焦点距離f・焦点シフトu・偏向角度θの光ビームを得るには、次の式（５）に基づいて位相分布を与えればよい。
Fj＝2π[(jp－3.5p－u)2/(2f)＋jp sinθ]/λ （j: 0, 1, 2,…, 7） …式（５）
ここでは特に空間光ビーム制御において重要な偏向・焦点制御の原理について述べたが、ＯＰＡ９０１では光導波路の出力端における光位相分布を適切に選ぶことにより、出力される光ビームパターンを自在に制御することが可能である。
【0016】
一方で、従来のＯＰＡ９０１による光ビーム制御を行うには、すべてのチャネルにおける位相制御部９１０を個別に動作させる必要がある。このため、従来のＯＰＡ９０１では、例えば光ビームの焦点制御により実現される光ビームスポットの空間２次元制御を行うには、多くの消費電力や複雑な信号制御が要求される。
【0017】
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、制御信号源の個数を低減することで、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ことを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0018】
前記課題を解決するために、本発明に係る光制御デバイスは、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、すべての前記焦点制御用位相制御部は信号線を共有し、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こととした。
【発明の効果】
【0019】
本発明によれば、従来よりも制御信号源の個数を低減できるので、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ことができる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】本発明の第１実施形態に係る光制御デバイスを模式的に示す平面図である。
【図3】実施形態に係る光制御デバイスの出力する光ビームの模式図であり、（ａ）は焦点制御の原理、（ｂ）は偏向制御の原理をそれぞれ示している。
【図7】本発明の第２実施形態に係る光制御デバイスを模式的に示す平面図である。
【図8】本発明の第３実施形態に係る光制御デバイスを模式的に示す平面図である。
【図9】本実施形態の焦点・偏向制御可能な光制御デバイスを組み合わせて空間３次元制御可能とした光制御デバイスの構成を示す平面図である。
【図10】実施例に係る光制御デバイスの一部を省略して光導波路を模式的に示す平面図である。
【図11】実施例に係る光制御デバイスのシミュレーション結果（０Ｖ）を示す図である。
【図12】実施例に係る光制御デバイスのシミュレーション結果（１２．５Ｖ）を示す図である。
【図13】実施例に係る光制御デバイスのシミュレーション結果（１５Ｖ）を示すグラフである。
【図14】実施例に係る光制御デバイスのシミュレーション結果（偏向）を示すグラフである。
【図15】実施例に係る光制御デバイスのシミュレーション結果（焦点・偏向）を示すグラフである。
【図16】従来の光フェーズドアレイの構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
（第１実施形態）
［光制御デバイスの概要］
まず、図１を参照して第１実施形態に係る光制御デバイス１の概要について説明する。なお、図１６に示すＯＰＡ９０１と同様の構成には同様の符号の１桁目の数字を付して説明を適宜省略する。また、各図面に示される部材のサイズや位置関係は、説明を明確にするため誇張していることがある。また、図１では、光導波路コアのみ図示しており、コア周囲のクラッド層の図示を省略している。
［光制御デバイスの概要］
まず、図１を参照して第１実施形態に係る光制御デバイス１の概要について説明する。なお、図１６に示すＯＰＡ９０１と同様の構成には同様の符号の１桁目の数字を付して説明を適宜省略する。また、各図面に示される部材のサイズや位置関係は、説明を明確にするため誇張していることがある。また、図１では、光導波路コアのみ図示しており、コア周囲のクラッド層の図示を省略している。
【0022】
図１に示すように、光制御デバイス１は、ここでは、一例として、マルチチャネル光導波路５のチャネル数を偶数である８とした１次元偏向型のＯＰＡであるものとする。光制御デバイス１は、基板２上に、光入力部３と、マルチチャネル光導波路５と、光出力部７と、光分離部４としての複数の光分配素子３０（３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ）と、複数の焦点制御用位相制御部１０（１０６，１０４，１０２）と、を備えている。なお、光分配素子を区別しない場合、単に光分配素子３０と表記し、また、焦点制御用位相制御部を区別しない場合、単に焦点制御用位相制御部１０と表記する。
【0023】
光制御デバイス１は、以下の規則性を備えている。
光制御デバイス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を用いた光制御デバイスである。光制御デバイス１は、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、を備えている。光分配素子３０において、３出力の光強度比は１：（Ｍ－２）：１である。例えば所定値Ｍ＝８で特定される光分配素子３０Ａの光強度の割合が（Ｍ－２）／Ｍである出力は、焦点制御用位相制御部１０６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３０Ｂに接続されている。
また、別の所定値Ｍ＝６で特定される光分配素子３０Ｂの光強度の割合が（Ｍ－２）／Ｍである出力は、焦点制御用位相制御部１０４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３０Ｃに接続されている。
すべての焦点制御用位相制御部１０は信号線８２を共有し、各焦点制御用位相制御部１０は、電気光学（ＥＯ）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を用いた光制御デバイスである。光制御デバイス１は、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、を備えている。光分配素子３０において、３出力の光強度比は１：（Ｍ－２）：１である。例えば所定値Ｍ＝８で特定される光分配素子３０Ａの光強度の割合が（Ｍ－２）／Ｍである出力は、焦点制御用位相制御部１０６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３０Ｂに接続されている。
また、別の所定値Ｍ＝６で特定される光分配素子３０Ｂの光強度の割合が（Ｍ－２）／Ｍである出力は、焦点制御用位相制御部１０４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３０Ｃに接続されている。
すべての焦点制御用位相制御部１０は信号線８２を共有し、各焦点制御用位相制御部１０は、電気光学（ＥＯ）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。
【0024】
また、光制御デバイス１は、光分配素子３０と焦点制御用位相制御部１０とが交互に配置されて接続されている。光制御デバイス１において、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焦点制御用位相制御部１０の各電極の長さの比は、それぞれの焦点制御用位相制御部１０の入力側に配置された各光分配素子３０の３出力における最小強度に対する最大強度の割合（最大強度／最小強度）の比と等しくなるように設定されている。
【0025】
光制御デバイス１についての上記の規則性の詳細について、各部の構成例、制御例、部品の設計例を順次説明する。
［各部の構成例］
まず、各部の構成例について説明する。
基板２は、様々な材料を用いて形成することができる。基板２の一方の面には、光入力部３と、光分離部４と、信号線８２と、が形成されている。
光入力部３は、外部の光源から光を光分離部４へ入射する光導波路から形成される。光源としては、レーザー光源や発光ダイオード（ＬＥＤ）等を適用することができる。光制御デバイス１には、さらに必要に応じて、光源と光入力部３との間に、ボールレンズやシリンドリカルレンズ等を備えるようにしてもよい。
［各部の構成例］
まず、各部の構成例について説明する。
基板２は、様々な材料を用いて形成することができる。基板２の一方の面には、光入力部３と、光分離部４と、信号線８２と、が形成されている。
光入力部３は、外部の光源から光を光分離部４へ入射する光導波路から形成される。光源としては、レーザー光源や発光ダイオード（ＬＥＤ）等を適用することができる。光制御デバイス１には、さらに必要に応じて、光源と光入力部３との間に、ボールレンズやシリンドリカルレンズ等を備えるようにしてもよい。
【0026】
光出力部７は、マルチチャネル光導波路５の端面によって構成され、端面は直線状に間隔ｐで配置されるものとする。光出力部７は、位相が制御された光を外部空間へ放射するものであり、光導波路の幅方向に並設されている。それぞれの光出力部７から放射された光は、それぞれの光位相の関係によって決まる干渉パターンを形成する。なお、光出力部７から出力する光ビームを上方に出射するために、光導波路に回折格子をさらに設けるようにしてもよい。さらに必要に応じて、光出力部７の外部かつ放射された光の照射範囲内に、ボールレンズやシリンドリカルレンズ等を備えるようにしてもよい。
【0027】
光導波路６は、コアとクラッドから形成され、コアはクラッドに比較して屈折率が大きい。焦点制御用位相制御部１０の光導波路を形成するコアの材料は、外部信号の印加により屈折率が変化する材料である。印加電圧によって屈折率が変化するＬＣ材料やＥＯ材料、あるいはヒーター電極の通電に伴うジュール加熱によって屈折率が変化するＴＯ材料が利用できる。焦点制御用位相制御部１０以外の光導波路コアの材料には、酸化チタンなどの無機物のほか、ＥＯ効果を有さない一般的なポリマー材料を用いることができる。コア材料やクラッド材料は、光導波路の全体を通じて同じ材料でもよいし、各機能部に応じた異なる材料を用いるようにしてもよい。なお、複数の光出力部７にそれぞれ接続された光導波路６は、一例として、図１では８本が配置されている。
【0028】
光分離部４は、光入力部３を導波した光を、マルチチャネル光導波路５に分配するものである。光分離部４は、一例として、光分配素子３０と焦点制御用位相制御部１０とを交互に接続することで、入力光の強度をマルチチャネル光導波路５に等分配する。マルチチャネル光導波路５には光出力部７のチャネル数と同数の８本の光導波路６が並列配置されている。ここでは、図１において下から順に、チャネル番号を０，１，２，…，７とする。各チャネルの光導波路を、マルチチャネル光導波路＃０，＃１，＃２，＃３，＃４，＃５，＃６，＃７と表記する。なお、光導波路６は、シングルモードで光の伝搬を行うことを前提としている。
【0029】
光制御デバイス１は、光入力部３に、光分離部４として光分配素子３０Ａが接続されている。光分配素子３０Ａは、１つの入射光を光強度比１：６：１の３つに分配するものである。光分配素子３０Ａを、以下、１：６：１光分配素子３０Ａと称す。１：６：１光分配素子３０Ａの出力光導波路のうち強度が最大のものを、以下、６／８出力光導波路６Ａ１（図４参照）と称す。この６／８出力光導波路６Ａ１には、図１に示すように焦点制御用位相制御部１０６を介して光分配素子３０Ｂが接続されている。
【0030】
光分配素子３０Ｂは、１つの入射光を光強度比１：４：１の３つに分配するものである。光分配素子３０Ｂを、以下、１：４：１光分配素子３０Ｂと称す。１：４：１光分配素子３０Ｂの出力光導波路のうち強度が最大のものを、以下、４／６出力光導波路６Ｂ１（図６（ａ）参照）と称す。この４／６出力光導波路６Ｂ１には、図１に示すように焦点制御用位相制御部１０４を介して光分配素子３０Ｃが接続されている。
【0031】
光分配素子３０Ｃは、１つの入射光を光強度比１：２：１の３つに分配するものである。光分配素子３０Ｃを、以下、１：２：１光分配素子３０Ｃと称す。１：２：１光分配素子３０Ｃの出力光導波路のうち強度が最大のものを、以下、２／４出力光導波路６Ｃ１（図６（ｂ）参照）と称す。この２／４出力光導波路６Ｃ１には、図１に示すように焦点制御用位相制御部１０２を介して１ｘ２ ＭＭＩ光スプリッタ２０が接続されている。
【0032】
１：６：１光分配素子３０Ａのうち全光出力に対する出力が１／８である２本の光導波路６Ａ２（図４参照）には、図１に示すようにマルチチャネル光導波路＃０，＃７がそれぞれ接続されている。
１：４：１光分配素子３０Ｂのうち全光出力に対する出力が１／６である２本の光導波路６Ｂ２（図６（ａ）参照）には、図１に示すようにマルチチャネル光導波路＃１，＃６がそれぞれ接続されている。
１：２：１光分配素子３０Ｃのうち全光出力に対する出力が１／４である２本の光導波路６Ｃ２（図６（ｂ）参照）には、図１に示すようにマルチチャネル光導波路＃２，＃５がそれぞれ接続されている。
１ｘ２ ＭＭＩ光スプリッタ２０の２出力には、図１に示すようにマルチチャネル光導波路＃３，＃４がそれぞれ接続されている。
１：４：１光分配素子３０Ｂのうち全光出力に対する出力が１／６である２本の光導波路６Ｂ２（図６（ａ）参照）には、図１に示すようにマルチチャネル光導波路＃１，＃６がそれぞれ接続されている。
１：２：１光分配素子３０Ｃのうち全光出力に対する出力が１／４である２本の光導波路６Ｃ２（図６（ｂ）参照）には、図１に示すようにマルチチャネル光導波路＃２，＃５がそれぞれ接続されている。
１ｘ２ ＭＭＩ光スプリッタ２０の２出力には、図１に示すようにマルチチャネル光導波路＃３，＃４がそれぞれ接続されている。
【0033】
焦点制御用位相制御部１０は、外部印加電圧等で生じる電界、あるいは電流供給により発生するジュール熱により屈折率が変化する材料を含んでいる。焦点制御用位相制御部１０は、図１に示すように信号線８２を介して送られる電気信号によって光導波路を形成するコアの屈折率を変化させる。つまり、焦点制御用位相制御部１０は、信号線８２から送られる電気信号によって、焦点制御用位相制御部１０内を伝搬する光の位相が制御可能になっている。外部印加電圧で生じる電界により屈折率が変化する材料を含む焦点制御用位相制御部１０には、電極（下部電極１１、上部電極１２：図２参照）が設けられている点が光出力部７等の光導波路とは異なっている。電流供給に伴うジュール熱により屈折率が変化する材料を含む焦点制御用位相制御部１０には、図２における下部電極１１もしくは上部電極１２のうち１つないしは２つが設けられている。外部印加電圧で生じる電界により屈折率が変化する材料を含む焦点制御用位相制御部１０の電極配置においては、電圧印加により生じる基板２と垂直な方向の電界成分の分布により屈折率分布が変化する。このため本構成例では、伝播する光として電界の振幅方向が基板２と垂直な方向であるＴＭモードの偏光を用いる。ただし、電極は、コアの上下方向に配置されるものに限らず、コア６１の側方に配置して、ＴＥ（Transverse Electric）モードの偏光を用いてもよい。
【0034】
焦点制御用位相制御部１０の断面構造は図２と同様である。焦点制御用位相制御部１０以外の光導波路の断面構造は、図２より上部電極１２を除いたものと同様、もしくは図２より上部電極１２および下部電極１１を除いたものと同様である。このとき各焦点制御用位相制御部１０に同一の信号を与えたときの位相変化量は、焦点制御用位相制御部１０の電極長に比例する。なお、焦点制御用位相制御部１０の電極長は、光導波路６に沿った電極の長さである。
【0035】
したがって、焦点制御用位相制御部１０６，１０４，１０２の電極長の比は、それぞれの前段（入力側）に配置された光分配素子３０による出力の、最小強度に対する最大強度の割合（最大強度／最小強度）の比と同じとする。
焦点制御用位相制御部１０６の前段に配置された１：６：１光分配素子３０Ａによる出力の最大強度／最小強度は、６／１（＝６）である。
焦点制御用位相制御部１０４の前段に配置された１：４：１光分配素子３０Ｂによる出力の最大強度／最小強度は、４／１（＝４）である。
焦点制御用位相制御部１０２の前段に配置された１：２：１光分配素子３０Ｃによる出力の最大強度／最小強度は、２／１（＝２）である。
したがって、焦点制御用位相制御部１０６，１０４，１０２の電極長の比は６：４：２とする。
焦点制御用位相制御部１０６の前段に配置された１：６：１光分配素子３０Ａによる出力の最大強度／最小強度は、６／１（＝６）である。
焦点制御用位相制御部１０４の前段に配置された１：４：１光分配素子３０Ｂによる出力の最大強度／最小強度は、４／１（＝４）である。
焦点制御用位相制御部１０２の前段に配置された１：２：１光分配素子３０Ｃによる出力の最大強度／最小強度は、２／１（＝２）である。
したがって、焦点制御用位相制御部１０６，１０４，１０２の電極長の比は６：４：２とする。
【0036】
以上をまとめると、光制御デバイス１は、以下の規則性を備えている。
光制御デバイス１は、複数の光出力部７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）番目に配置された焦点制御用位相制御部１０は、当該焦点制御用位相制御部１０への光入力側に、３出力の光強度比が１：２Ｐ：１である光分配素子３０が接続され、かつ、当該焦点制御用位相制御部１０からの光出力側に、３出力の光強度比が１：（２Ｐ－２）：１である光分配素子３０が接続されている。光制御デバイス１において、デバイスの光出力端の最も近くに配置された焦点制御用位相制御部１０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）番目に配置された焦点制御用位相制御部１０の電極の長さは２Ｐである。
光制御デバイス１は、複数の光出力部７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）番目に配置された焦点制御用位相制御部１０は、当該焦点制御用位相制御部１０への光入力側に、３出力の光強度比が１：２Ｐ：１である光分配素子３０が接続され、かつ、当該焦点制御用位相制御部１０からの光出力側に、３出力の光強度比が１：（２Ｐ－２）：１である光分配素子３０が接続されている。光制御デバイス１において、デバイスの光出力端の最も近くに配置された焦点制御用位相制御部１０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）番目に配置された焦点制御用位相制御部１０の電極の長さは２Ｐである。
【0037】
図２に示すように、焦点制御用位相制御部１０の下部電極１１および上部電極１２は信号線８２を介して焦点制御信号源８１に接続されている。焦点制御信号源８１は、例えば波形発生器を備えている。光制御デバイス１の駆動時には、焦点制御信号源８１が、定められた波形の駆動電圧を焦点制御用位相制御部１０に印加する。
【0038】
信号線８２は、図１に示すように、各焦点制御用位相制御部１０の電極にそれぞれ電気的に接続されている。信号線の材料としては、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｃｒなどの金属を用いることができる。信号線を透明電極としてもよく、その場合、材料としては、ＩＺＯ（Indium Zinc Oxide：インジウム亜鉛酸化物）やＩＴＯ（Indium Tin Oxide：インジウム－スズ酸化物）などを挙げることができる。
【0039】
信号線８２の端部には焦点制御用信号端子Ｃ（図１参照）が設けられている。この焦点制御用信号端子Ｃには、焦点制御信号源８１（図２参照）が接続される。
図１６に示す従来のＯＰＡ９０１は、光ビームの焦点制御を行う際に、すべてのチャネルにおける位相制御部９１０を個別に動作させる複数の制御信号源を必要とする。これに対して、光制御デバイス１は、すべての焦点制御用位相制御部１０が、共有する信号線８２を介して１つの焦点制御信号源８１からの制御信号によって駆動することができる。
図１６に示す従来のＯＰＡ９０１は、光ビームの焦点制御を行う際に、すべてのチャネルにおける位相制御部９１０を個別に動作させる複数の制御信号源を必要とする。これに対して、光制御デバイス１は、すべての焦点制御用位相制御部１０が、共有する信号線８２を介して１つの焦点制御信号源８１からの制御信号によって駆動することができる。
【0040】
［制御例］
光制御デバイス１の各焦点制御用位相制御部１０に電圧もしくは電流からなる同一の信号を与えたとき、各焦点制御用位相制御部１０の位相変化量の比は、各焦点制御用位相制御部１０の入力側に配置された光分配素子３０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によって決まる。各焦点制御用位相制御部１０の位相変化量は、光出力側の焦点制御用位相制御部１０２から光入力側の焦点制御用位相制御部１０６に向かう順番で増加する等差数列で示される。
光制御デバイス１の各焦点制御用位相制御部１０に電圧もしくは電流からなる同一の信号を与えたとき、各焦点制御用位相制御部１０の位相変化量の比は、各焦点制御用位相制御部１０の入力側に配置された光分配素子３０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によって決まる。各焦点制御用位相制御部１０の位相変化量は、光出力側の焦点制御用位相制御部１０２から光入力側の焦点制御用位相制御部１０６に向かう順番で増加する等差数列で示される。
【0041】
具体的には、光制御デバイス１により焦点位置を制御するには、焦点制御用位相制御部１０６，１０４，１０２に例えば信号ｓを入力する。
信号sの入力により、焦点制御用位相制御部１０６に、その電極長に応じた位相変化量６ｓが生じる。
信号sの入力により、焦点制御用位相制御部１０４に、その電極長に応じた位相変化量４ｓが生じる。
信号sの入力により、焦点制御用位相制御部１０２に、その電極長に応じた位相変化量２ｓが生じる。
言い換えると、最後段の焦点制御用位相制御部１０（すなわち１０２）の位相変化量を２としたときに、最後段から最前段に向かってＰ（Ｐ≧２）番目に配置された焦点制御用位相制御部１０の位相変化量は２Ｐとなっている。
信号sの入力により、焦点制御用位相制御部１０６に、その電極長に応じた位相変化量６ｓが生じる。
信号sの入力により、焦点制御用位相制御部１０４に、その電極長に応じた位相変化量４ｓが生じる。
信号sの入力により、焦点制御用位相制御部１０２に、その電極長に応じた位相変化量２ｓが生じる。
言い換えると、最後段の焦点制御用位相制御部１０（すなわち１０２）の位相変化量を２としたときに、最後段から最前段に向かってＰ（Ｐ≧２）番目に配置された焦点制御用位相制御部１０の位相変化量は２Ｐとなっている。
【0042】
このとき、焦点制御用位相制御部１０６の作用は１：４：１光分配素子３０Ｂに入射する光位相に影響を与え、マルチチャネル光導波路＃０，＃７をそれぞれ通る光の位相に影響を与えない。焦点制御用位相制御部１０４の作用は１：２：１光分配素子３０Ｃに入射する光位相に影響を与え、マルチチャネル光導波路＃０，＃７，＃１，＃６をそれぞれ通る光の位相に影響を与えない。焦点制御用位相制御部１０２の作用は１ｘ２ ＭＭＩ光スプリッタ２０に入射する光位相に影響を与え、マルチチャネル光導波路＃０，＃７，＃１，＃６，＃２，＃５をそれぞれ通る光の位相に影響を与えない。
【0043】
したがって、このときマルチチャネル光導波路＃０，＃７では位相変化量が０である。
一方、マルチチャネル光導波路＃１，＃６では、位相変化量が６ｓとなる。
またマルチチャネル光導波路＃２，＃５では、位相変化量が（６＋４）ｓとなる。
またマルチチャネル光導波路＃３，＃４では、位相変化量が（６＋４＋２）ｓとなる。
そのため、光出力部７における位相分布は、２次曲線（－[(jp－3.5p)2－12.25]s，ただし、jはチャネル番号：0, 1,…, 7）になる。
これを前記式（４）と比較すれば、f＝－sπ／λと相似であり、信号sにより焦点距離を制御することが可能であることが分かる。なお、焦点距離の基準位置は、光出力部７における端面が配置される直線の位置にとる。また、信号sの符号を逆にとれば、焦点位置を、基準位置から見て逆方向につくることが可能である（図３（ａ）参照）。
一方、マルチチャネル光導波路＃１，＃６では、位相変化量が６ｓとなる。
またマルチチャネル光導波路＃２，＃５では、位相変化量が（６＋４）ｓとなる。
またマルチチャネル光導波路＃３，＃４では、位相変化量が（６＋４＋２）ｓとなる。
そのため、光出力部７における位相分布は、２次曲線（－[(jp－3.5p)2－12.25]s，ただし、jはチャネル番号：0, 1,…, 7）になる。
これを前記式（４）と比較すれば、f＝－sπ／λと相似であり、信号sにより焦点距離を制御することが可能であることが分かる。なお、焦点距離の基準位置は、光出力部７における端面が配置される直線の位置にとる。また、信号sの符号を逆にとれば、焦点位置を、基準位置から見て逆方向につくることが可能である（図３（ａ）参照）。
【0044】
光制御デバイス１において、チャネル数Ｎを８であるものとして説明したが、チャネル数はこれに限らない。例えばチャネル数Ｎを６にする場合、光分離部４は、２段の光分配素子３０Ｂ，３０Ｃと、１ｘ２ ＭＭＩ光スプリッタ２０と、を備えていればよい。また、光分離部４は、４段以上の光分配素子３０を設けてもよく、チャネル数Ｎを１０以上にしてもよい。
【0045】
なお、チャネル数Ｎが８以外の偶数の場合の焦点制御用位相制御部による位相変化量（本例では電極長）の比は、最後段の焦点制御用位相制御部（本例では焦点制御用位相制御部１０２）から、最前段の焦点制御用位相制御部（本例では焦点制御用位相制御部１０６）に向かって、２：４：…：（Ｎ－２）とする。このとき、信号sにより生じる光出力部７における位相分布は、x＝(j－(N-1)/2)p として、－x2/16＋[N2/4－N/2＋1/4]であり、２次の位相分布を生成することができる。
【0046】
ここでは焦点位置の制御について述べたが、光入力部３から光出力部７にいたる各チャネルの導波路長に起因する位相差を補正する操作、すなわち位相補償に、前記焦点制御用位相制御部１０を用いることも可能である。
まず、１ｘＮ ＭＭＩ光スプリッタの出力位相分布は、２次の位相分布を生成することが知られている（例えば下記参考文献１参照）。
（参考文献１）光導波路解析入門pp.186 など
基本ＴＭモードの伝搬定数（伝搬距離による位相変化を表す物性値）は、おおむね材料の屈折率とコアの厚みによって決まることが知られている。したがって、１ｘＮ ＭＭＩ光スプリッタと、Ｎｘ１ 光コンバイナを接続した光導波路における位相変化量は、コア・クラッドの、材料・厚みおよび長さが同一である光導波路における位相変化量とおおむね等しい。すなわち、光分配素子３０を用いたチャネル数Ｎである光制御デバイス１の光出力部７における位相分布は、１ｘＮ ＭＭＩ光スプリッタの出力位相分布とおおむね等しい。そこで、焦点制御用位相制御部１０による位相変化量を、１ｘＮ ＭＭＩ光スプリッタの出力位相分布と逆相になるよう調整することにより、位相補償を行うことができ、このとき、光出力部７における光位相は同一となる。
まず、１ｘＮ ＭＭＩ光スプリッタの出力位相分布は、２次の位相分布を生成することが知られている（例えば下記参考文献１参照）。
（参考文献１）光導波路解析入門pp.186 など
基本ＴＭモードの伝搬定数（伝搬距離による位相変化を表す物性値）は、おおむね材料の屈折率とコアの厚みによって決まることが知られている。したがって、１ｘＮ ＭＭＩ光スプリッタと、Ｎｘ１ 光コンバイナを接続した光導波路における位相変化量は、コア・クラッドの、材料・厚みおよび長さが同一である光導波路における位相変化量とおおむね等しい。すなわち、光分配素子３０を用いたチャネル数Ｎである光制御デバイス１の光出力部７における位相分布は、１ｘＮ ＭＭＩ光スプリッタの出力位相分布とおおむね等しい。そこで、焦点制御用位相制御部１０による位相変化量を、１ｘＮ ＭＭＩ光スプリッタの出力位相分布と逆相になるよう調整することにより、位相補償を行うことができ、このとき、光出力部７における光位相は同一となる。
【0047】
［光分配素子の構造の設計例］
次に、光制御デバイス１に用いる光分配素子３０の構造について図４に示す１：６：１光分配素子３０Ａを例にとって説明する。
次に、光制御デバイス１に用いる光分配素子３０の構造について図４に示す１：６：１光分配素子３０Ａを例にとって説明する。
【0048】
図４の１：６：１光分配素子３０Ａは、幅Wcの光導波路を入力部とし、また、幅Ws8（＝poｘ８）で長さLs8なる光導波路（以下、１ｘ８光スプリッタ部４０Ａと称す）と、幅Wc6（＝poｘ６）で長さLc6なる光導波路（以下、６ｘ１光コンバイナ部５０Ａと称す）とを隙間なく配置して構成されている。この１：６：１光分配素子３０Ａは、出力部として、１ｘ８光スプリッタ部４０Ａに２本の光導波路６Ａ２が接続されており、また、６ｘ１光コンバイナ部５０Ａに１本の光導波路６Ａ１が接続されている。なお、poについては後述する。
【0049】
ここで、１ｘ８光スプリッタ部４０Ａは、幅の狭い光導波路に幅が広い光導波路を接続したときに、幅の広い光導波路内で生じる現象であるマルチモード干渉に基づき、入力部から長さLs8の地点に８個の光強度ピークが発生するよう設計されたマルチモード光導波路である。
【0050】
前記１ｘ８光スプリッタ部４０Ａは、図５（ａ）に示すように、１つの光導波路を入力部とし、８本の光導波路を等しい間隔poで配置した出力部を有するとき、入力部より入射した光を８本の光導波路に分配する機能を有する、１ｘ８ ＭＭＩ光スプリッタの構成部品と等価な部品である。
【0051】
１ｘ８ ＭＭＩ光スプリッタの設計においては、まず出力光導波路のピッチpoと本数８とによって幅Ws8＝８×poを定め、次いで、入力部より光を入射した際に１ｘ８光スプリッタ部４０Ａ内に生じる光干渉パターンを、ビーム伝搬法などの数値シミュレーションにより求める。なお、光干渉パターンは解析式や近似式によって求めても構わない。得られる光干渉パターンは、伝搬長が特定の値と一致するとき、１つもしくは複数の光強度ピークをつくり、幅方向の強度分布は入力光導波路の延長線上を中心とする対称なものとなる。幅方向における光強度ピークが１つに収束する伝搬長の４／３倍の長さをLa8とする（すなわち、伝搬長３La8／４のとき光強度ピークが一点に収束する）と、前記の特定の値は、長さLa8の３ａ／ｂ倍となることが理論的に知られている。ただし、ａとｂは整数である（例えば下記参考文献２参照）。
（参考文献２）光導波路解析入門pp.176-198 など
（参考文献２）光導波路解析入門pp.176-198 など
【0052】
前記の理論より求めた長さLa8を用いることにより、１ｘ８光スプリッタ部４０Ａの長さ（Ls8）は、Ls8＝３La8／３２と決定される。なお、出力ピッチpoや本数Ｎが異なる場合の設計においても、それに合わせて長さLaの値を求めれば、１ｘＮ光スプリッタ部の長さを３La／（４Ｎ）より決定することが可能である。
【0053】
たとえば１ｘ６ ＭＭＩ光スプリッタや、図６（ａ）に示す１：４：１光分配素子３０Ｂに用いる１ｘ６光スプリッタ部４０Ｂの設計においては、幅方向における光強度ピークが一点に収束する伝搬長の４／３倍として長さLa6を求めれば、１ｘ６光スプリッタ部４０Ｂの長さ（Ls6）は、Ls6＝３La6／２４より決定することができる。
【0054】
図４に戻って、１：６：１光分配素子３０Ａに用いる６ｘ１光コンバイナ部５０Ａの長さは、１ｘ６ ＭＭＩ光スプリッタの設計で求めた長さLa6に基づいて決定する。具体的には、伝搬長が１ｘ６ ＭＭＩ光スプリッタの長さLs6と等しいとき、幅方向における光強度ピークが６個存在し、伝搬長が長さLa6と等しいときに一点に収束することから、次の式（６）で示される関係式とする。
Lc6＝La6－Ls6 … 式（６）
この設計は、６本の入力光導波路と１本の出力光導波路とを備えた、図５（ｂ）に示す６ｘ１ ＭＭＩ光コンバイナを設計することと等価である。なお、Wc6＝６×poである。
Lc6＝La6－Ls6 … 式（６）
この設計は、６本の入力光導波路と１本の出力光導波路とを備えた、図５（ｂ）に示す６ｘ１ ＭＭＩ光コンバイナを設計することと等価である。なお、Wc6＝６×poである。
【0055】
以上により決定された１ｘ８ ＭＭＩ光スプリッタと、６ｘ１ ＭＭＩ光コンバイナとを、中心軸を一致させて近接配置することにより、１：６：１光分配素子３０Ａを構成することができる。
上記の設計を要約すると、長さLa8および長さLa6より１：６：１光分配素子３０Ａは設計される。すなわち、１：６：１光分配素子３０Ａは、長さLa8に基づいて１ｘ８光スプリッタ部４０Ａの長さ（Ls8）を求め、長さLa6に基づいて６ｘ１光コンバイナ部５０Ａの長さ（Lc6）を求め、これらを用いることによって設計される。
上記の設計を要約すると、長さLa8および長さLa6より１：６：１光分配素子３０Ａは設計される。すなわち、１：６：１光分配素子３０Ａは、長さLa8に基づいて１ｘ８光スプリッタ部４０Ａの長さ（Ls8）を求め、長さLa6に基づいて６ｘ１光コンバイナ部５０Ａの長さ（Lc6）を求め、これらを用いることによって設計される。
【0056】
同様に、長さLa6および長さLa4より１：４：１光分配素子３０Ｂは設計され、長さLa4および長さLa2より１：２：１光分配素子３０Ｃは設計される。なお、チャネル数Ｎが多い場合にも同様に、長さLaNおよび長さLa(N-2)より１：（Ｎ－２）：１光分配素子が設計される。
【0057】
例えば１：６：１光分配素子３０Ａには、１ｘ８ ＭＭＩ光スプリッタと６ｘ１ ＭＭＩ光コンバイナとをつなぐ導波路がなく、これらは一体で作られており、間をつなぐ導波路が存在しないことから光の損失が少なくなるメリットがある。同様に１：４：１光分配素子３０Ｂは、１ｘ６ ＭＭＩ光スプリッタと４ｘ１ ＭＭＩ光コンバイナの組み合わせに比して光の損失が少ない。また、１：２：１光分配素子３０Ｃは、１ｘ４ ＭＭＩ光スプリッタと２ｘ１ ＭＭＩ光コンバイナの組み合わせに比して光の損失が少ない。
【0058】
（第２実施形態）
次に、図７を参照して第２実施形態に係る光制御デバイス１Ｂについて説明する。なお、図１に示す光制御デバイス１と同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。光制御デバイス１Ｂは、マルチチャネル光導波路５のチャネル数を奇数（例えば７）としたことに伴って光分配素子３０が入射光を３つに分配するときの光強度比を変更した点と、１ｘ２ ＭＭＩ光スプリッタ２０を省略した点が、図１に示す光制御デバイス１と相違する。
次に、図７を参照して第２実施形態に係る光制御デバイス１Ｂについて説明する。なお、図１に示す光制御デバイス１と同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。光制御デバイス１Ｂは、マルチチャネル光導波路５のチャネル数を奇数（例えば７）としたことに伴って光分配素子３０が入射光を３つに分配するときの光強度比を変更した点と、１ｘ２ ＭＭＩ光スプリッタ２０を省略した点が、図１に示す光制御デバイス１と相違する。
【0059】
光制御デバイス１Ｂにおいて、マルチチャネル光導波路５は、ここでは、図７において下から順に、チャネル番号を０，１，２，…，６とする。各チャネルの光導波路を、マルチチャネル光導波路＃０，＃１，＃２，＃３，＃４，＃５，＃６と表記する。光出力部７は、マルチチャネル光導波路５の端面によって構成され、端面は直線状に間隔ｐで配置されるものとする。
【0060】
光制御デバイス１Ｂは、光入力部３に、光分離部４として光分配素子３０Ｄが接続されている。光分配素子３０Ｄは、１つの入射光を光強度比１：５：１の３つに分配するものである。光分配素子３０Ｄを、以下、１：５：１光分配素子３０Ｄと称す。１：５：１光分配素子３０Ｄの出力光導波路のうち強度が最大のものを、以下、５／７出力光導波路と称す。この５／７出力光導波路には、図７に示すように焦点制御用位相制御部１０６を介して光分配素子３０Ｅが接続されている。
【0061】
光分配素子３０Ｅは、１つの入射光を光強度比１：３：１の３つに分配するものである。光分配素子３０Ｅを、以下、１：３：１光分配素子３０Ｅと称す。１：３：１光分配素子３０Ｅの出力光導波路のうち強度が最大のものを、以下、３／５出力光導波路と称す。この３／５出力光導波路には、図７に示すように焦点制御用位相制御部１０４を介して光分配素子３０Ｆが接続されている。
【0062】
光分配素子３０Ｆは、１つの入射光を光強度比１：１：１の３つに分配するものである。光分配素子３０Ｆを、以下、１：１：１光分配素子３０Ｆと称す。１：１：１光分配素子３０Ｆの出力光導波路のうち強度が最大のものを、以下、１／３出力光導波路と称す。この１／３出力光導波路には、図７に示すように焦点制御用位相制御部１０２を介してマルチチャネル光導波路＃３が接続されている。
１：５：１光分配素子３０Ｄのうち全光出力に対する出力が１／７である２本の光導波路には図７に示すようにマルチチャネル光導波路＃０，＃６がそれぞれ接続されている。
１：３：１光分配素子３０Ｅのうち全光出力に対する出力が１／５である２本の光導波路には図７に示すようにマルチチャネル光導波路＃１，＃５がそれぞれ接続されている。
１：１：１光分配素子３０Ｆのうち全光出力に対する出力が１／３である２本の光導波路には図７に示すようにマルチチャネル光導波路＃２，＃４がそれぞれ接続されている。
１：５：１光分配素子３０Ｄのうち全光出力に対する出力が１／７である２本の光導波路には図７に示すようにマルチチャネル光導波路＃０，＃６がそれぞれ接続されている。
１：３：１光分配素子３０Ｅのうち全光出力に対する出力が１／５である２本の光導波路には図７に示すようにマルチチャネル光導波路＃１，＃５がそれぞれ接続されている。
１：１：１光分配素子３０Ｆのうち全光出力に対する出力が１／３である２本の光導波路には図７に示すようにマルチチャネル光導波路＃２，＃４がそれぞれ接続されている。
【0063】
焦点制御用位相制御部１０６，１０４，１０２の電極長の比は、それぞれの前段（入力側）に配置された光分配素子３０による出力の、最小強度に対する最大強度の割合（最大強度／最小強度）の比と同じとする。
焦点制御用位相制御部１０６の前段に配置された１：５：１光分配素子３０Ｄによる出力の最大強度／最小強度は、５／１（＝５）である。
焦点制御用位相制御部１０４の前段に配置された１：３：１光分配素子３０Ｅによる出力の最大強度／最小強度は、３／１（＝３）である。
焦点制御用位相制御部１０２の前段に配置された１：１：１光分配素子３０Ｆによる出力の最大強度／最小強度は、１／１（＝１）である。
したがって、焦点制御用位相制御部１０６，１０４，１０２の電極長の比は５：３：１とする。第２実施形態においても、各焦点制御用位相制御部１０の位相変化量は、光出力側の焦点制御用位相制御部１０２から光入力側の焦点制御用位相制御部１０６に向かう順番で増加する等差数列で示される。
焦点制御用位相制御部１０６の前段に配置された１：５：１光分配素子３０Ｄによる出力の最大強度／最小強度は、５／１（＝５）である。
焦点制御用位相制御部１０４の前段に配置された１：３：１光分配素子３０Ｅによる出力の最大強度／最小強度は、３／１（＝３）である。
焦点制御用位相制御部１０２の前段に配置された１：１：１光分配素子３０Ｆによる出力の最大強度／最小強度は、１／１（＝１）である。
したがって、焦点制御用位相制御部１０６，１０４，１０２の電極長の比は５：３：１とする。第２実施形態においても、各焦点制御用位相制御部１０の位相変化量は、光出力側の焦点制御用位相制御部１０２から光入力側の焦点制御用位相制御部１０６に向かう順番で増加する等差数列で示される。
【0064】
以上をまとめると、光制御デバイス１Ｂは、以下の規則性を備えている。
光制御デバイス１Ｂは、複数の光出力部７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）番目に配置された焦点制御用位相制御部１０は、当該焦点制御用位相制御部１０への光入力側に、３出力の光強度比が１：（２Ｐ－１）：１である光分配素子３０が接続され、かつ、当該焦点制御用位相制御部１０からの光出力側に、３出力の光強度比が１：（２Ｐ－３）：１である光分配素子３０が接続されている。光制御デバイス１Ｂにおいて、デバイスの光出力端の最も近くに配置された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）番目に配置された焦点制御用位相制御部の電極の長さは（２Ｐ－１）である。
光制御デバイス１Ｂは、複数の光出力部７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）番目に配置された焦点制御用位相制御部１０は、当該焦点制御用位相制御部１０への光入力側に、３出力の光強度比が１：（２Ｐ－１）：１である光分配素子３０が接続され、かつ、当該焦点制御用位相制御部１０からの光出力側に、３出力の光強度比が１：（２Ｐ－３）：１である光分配素子３０が接続されている。光制御デバイス１Ｂにおいて、デバイスの光出力端の最も近くに配置された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）番目に配置された焦点制御用位相制御部の電極の長さは（２Ｐ－１）である。
【0065】
光制御デバイス１Ｂにより焦点位置を制御するには、焦点制御用位相制御部１０６，１０４，１０２に例えば信号ｓを入力する。
信号sの入力により、焦点制御用位相制御部１０６に、その電極長に応じた位相変化量５ｓが生じる。
信号sの入力により、焦点制御用位相制御部１０４に、その電極長に応じた位相変化量３ｓが生じる。
信号sの入力により、焦点制御用位相制御部１０２に、その電極長に応じた位相変化量１ｓが生じる。
言い換えると、最後段の焦点制御用位相制御部１０（すなわち１０２）の位相変化量を１としたときに、最後段から最前段に向かってＰ（Ｐ≧２）番目に配置された焦点制御用位相制御部１０の位相変化量は（２Ｐ－１）となっている。
信号sの入力により、焦点制御用位相制御部１０６に、その電極長に応じた位相変化量５ｓが生じる。
信号sの入力により、焦点制御用位相制御部１０４に、その電極長に応じた位相変化量３ｓが生じる。
信号sの入力により、焦点制御用位相制御部１０２に、その電極長に応じた位相変化量１ｓが生じる。
言い換えると、最後段の焦点制御用位相制御部１０（すなわち１０２）の位相変化量を１としたときに、最後段から最前段に向かってＰ（Ｐ≧２）番目に配置された焦点制御用位相制御部１０の位相変化量は（２Ｐ－１）となっている。
【0066】
光制御デバイス１Ｂのようにマルチチャネル光導波路５のチャネル数Ｎが奇数の場合には、焦点制御用位相制御部による位相変化量（本例では電極長）の比は、最後段の焦点制御用位相制御部（本例では焦点制御用位相制御部１０２）から、最前段の焦点制御用位相制御部（本例では焦点制御用位相制御部１０６）に向かって、１：３：…（Ｎ－２）とする。なお、Ｎは５以上の奇数である。
【0067】
このとき、マルチチャネル光導波路＃０，＃６では、位相変化量が０である。
一方、マルチチャネル光導波路＃１，＃５では、位相変化量が５ｓとなる。
また、マルチチャネル光導波路＃２，＃４では、位相変化量が（５＋３）ｓとなる。
また、マルチチャネル光導波路＃３では、位相変化量が（５＋３＋１）ｓとなる。
したがって、第２実施形態に係る光制御デバイス１Ｂにおいても、信号sにより生じる光出力部７における位相分布は２次曲線になるので、第１実施形態のように２次の位相分布を生成することができる。
一方、マルチチャネル光導波路＃１，＃５では、位相変化量が５ｓとなる。
また、マルチチャネル光導波路＃２，＃４では、位相変化量が（５＋３）ｓとなる。
また、マルチチャネル光導波路＃３では、位相変化量が（５＋３＋１）ｓとなる。
したがって、第２実施形態に係る光制御デバイス１Ｂにおいても、信号sにより生じる光出力部７における位相分布は２次曲線になるので、第１実施形態のように２次の位相分布を生成することができる。
【0068】
（第３実施形態）
次に、図８を参照して第３実施形態に係る光制御デバイス１Ｃについて説明する。なお、図１に示す光制御デバイス１と同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。光制御デバイス１Ｃは、複数の光出力部７にそれぞれ接続された光導波路６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７０～７７および信号線８３～８５を付加した点が、図１に示す光制御デバイス１と相違する。
次に、図８を参照して第３実施形態に係る光制御デバイス１Ｃについて説明する。なお、図１に示す光制御デバイス１と同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。光制御デバイス１Ｃは、複数の光出力部７にそれぞれ接続された光導波路６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７０～７７および信号線８３～８５を付加した点が、図１に示す光制御デバイス１と相違する。
【0069】
光制御デバイス１Ｃにおいて、マルチチャネル光導波路５は、ここでは、図８において下から順に、チャネル番号を０，１，２，…，７とする。各チャネルの光導波路を、マルチチャネル光導波路＃０，＃１，＃２，＃３，＃４，＃５，＃６，＃７と表記する。光出力部７は、マルチチャネル光導波路５の端面によって構成され、端面は直線状に間隔ｐで配置されるものとする。
【0070】
光制御デバイス１Ｃは、複数の光分配素子３０において、３出力の光強度比は１：（Ｍ－２）：１であり（Ｍは２より大きい任意の整数）、チャネル数Ｎ（ＮはＭ＜Ｎである任意の整数、ここではＮ＝８）である。
１：６：１光分配素子３０Ａのうち全光出力に対する出力が１／８である２本の光導波路６Ａ２（図４参照）には、偏向制御用位相制御部７０，７７が配置される。
１：４：１光分配素子３０Ｂのうち全光出力に対する出力が１／６である２本の光導波路６Ｂ２（図６（ａ）参照）には、偏向制御用位相制御部７１，７６が配置される。
１：２：１光分配素子３０Ｃのうち全光出力に対する出力が１／４である２本の光導波路６Ｃ２（図６（ｂ）参照）には、偏向制御用位相制御部７２，７５が配置される。
１ｘ２ ＭＭＩ光スプリッタ２０Ｃの出力には、偏向制御用位相制御部７３，７４が配置される。
１：６：１光分配素子３０Ａのうち全光出力に対する出力が１／８である２本の光導波路６Ａ２（図４参照）には、偏向制御用位相制御部７０，７７が配置される。
１：４：１光分配素子３０Ｂのうち全光出力に対する出力が１／６である２本の光導波路６Ｂ２（図６（ａ）参照）には、偏向制御用位相制御部７１，７６が配置される。
１：２：１光分配素子３０Ｃのうち全光出力に対する出力が１／４である２本の光導波路６Ｃ２（図６（ｂ）参照）には、偏向制御用位相制御部７２，７５が配置される。
１ｘ２ ＭＭＩ光スプリッタ２０Ｃの出力には、偏向制御用位相制御部７３，７４が配置される。
【0071】
具体的には、図８に示すように、マルチチャネル光導波路＃０～＃３には、それぞれ偏向制御用位相制御部７０～７３が設けられている。偏向制御用位相制御部７０～７３は、信号線８４を共有している。また、マルチチャネル光導波路＃４～＃７には、それぞれ偏向制御用位相制御部７４～７７が設けられている。偏向制御用位相制御部７４～７７は、信号線８５を共有している。このうち偏向制御用位相制御部７７には、信号線８３も接続されている。
なお、偏向制御用位相制御部７０～７７の符号はチャネル番号（０～７）にそれぞれ対応している。
なお、偏向制御用位相制御部７０～７７の符号はチャネル番号（０～７）にそれぞれ対応している。
【0072】
偏向制御用位相制御部７０～７７の断面構造は図２と同様である。偏向制御用位相制御部７０～７７以外の光導波路の断面構造は、図２より上部電極１２を除いたものと同様、もしくは図２より上部電極１２および下部電極１１を除いたものと同様である。このとき各偏向制御用位相制御部７０～７７に同一の信号を与えたときの位相変化量は、偏向制御用位相制御部７０～７７の電極長に比例する。
【0073】
偏向制御用位相制御部７０の電極長は、偏向制御用位相制御部７７の電極長と等しい。
偏向制御用位相制御部７１の電極長は、偏向制御用位相制御部７６の電極長と等しい。
偏向制御用位相制御部７２の電極長は、偏向制御用位相制御部７５の電極長と等しい。
偏向制御用位相制御部７３の電極長は、偏向制御用位相制御部７４の電極長と等しい。
偏向制御用位相制御部７０，７１，７２，７３の電極長の比は７：５：３：１とする。
偏向制御用位相制御部７１の電極長は、偏向制御用位相制御部７６の電極長と等しい。
偏向制御用位相制御部７２の電極長は、偏向制御用位相制御部７５の電極長と等しい。
偏向制御用位相制御部７３の電極長は、偏向制御用位相制御部７４の電極長と等しい。
偏向制御用位相制御部７０，７１，７２，７３の電極長の比は７：５：３：１とする。
【0074】
偏向制御用位相制御部７０～７３が共有する信号線８４の偏向制御用信号端子Ａ（または偏向制御用信号端子ａ）には、図示しない偏向制御信号源Ａが接続される。偏向制御用位相制御部７４～７７が共有する信号線８５の偏向制御用信号端子Ｂ（または偏向制御用信号端子ｂ）には、図示しない偏向制御信号源Ｂが接続される。偏向制御信号源Ｂの出力と偏向制御信号源Ａの出力とは逆相であるものとする。
このとき、偏向制御信号源Ａ，Ｂの出力がともに０であれば、マルチチャネル光導波路＃０を通る光の光出力部７における位相は、マルチチャネル光導波路＃７を通る光の光出力部７における位相と等しい。
また、マルチチャネル光導波路＃１を通る光の光出力部７における位相は、マルチチャネル光導波路＃６を通る光の光出力部７における位相と等しい。
また、マルチチャネル光導波路＃２を通る光の光出力部７における位相は、マルチチャネル光導波路＃５を通る光の光出力部７における位相と等しい。
さらに、マルチチャネル光導波路＃３を通る光の光出力部７における位相は、マルチチャネル光導波路＃４を通る光の光出力部７における位相と等しい。したがって、第１実施形態で説明した前記の位相補償を行った場合、光制御デバイス１Ｃの出射光ビームは偏向角度０度の平行光になる。
このとき、偏向制御信号源Ａ，Ｂの出力がともに０であれば、マルチチャネル光導波路＃０を通る光の光出力部７における位相は、マルチチャネル光導波路＃７を通る光の光出力部７における位相と等しい。
また、マルチチャネル光導波路＃１を通る光の光出力部７における位相は、マルチチャネル光導波路＃６を通る光の光出力部７における位相と等しい。
また、マルチチャネル光導波路＃２を通る光の光出力部７における位相は、マルチチャネル光導波路＃５を通る光の光出力部７における位相と等しい。
さらに、マルチチャネル光導波路＃３を通る光の光出力部７における位相は、マルチチャネル光導波路＃４を通る光の光出力部７における位相と等しい。したがって、第１実施形態で説明した前記の位相補償を行った場合、光制御デバイス１Ｃの出射光ビームは偏向角度０度の平行光になる。
【0075】
また、前記位相補償を行った上で、偏向制御信号源Ａ，Ｂに、振幅ａで逆相の信号を与えると、偏向制御用位相制御部７０～７７に対応したマルチチャネル光導波路＃０，＃１，＃２，＃３，＃４，＃５，＃６，＃７への信号入力は７ａ，５ａ，３ａ，１ａ，－１ａ，－３ａ，－５ａ，－７ａとなり、線形の位相分布を付加することができる。したがって、この場合、光制御デバイス１Ｃの出射光ビームは、偏向した平行光になる（図３（ｂ）参照）。
【0076】
第３実施形態に係る光制御デバイス１Ｃは、第１実施形態で説明した前記の式（５）に基づいてマルチチャネル光導波路５の各チャネルの位相を決定することにより、光ビームの焦点制御および偏向制御（以下、焦点・偏向制御と表記する）が可能となる。これは、図８に示す光制御デバイス１Ｃを用いれば、焦点制御信号源８１（図２参照）と偏向制御信号源Ａ，Ｂとの合計３個の信号源を使用するだけで、焦点・偏向制御が可能であることを示している。すなわち、３個の信号源を用いて焦点距離の制御と１次元偏向の制御とを行い、光ビームスポットの空間２次元制御が可能であることを示している。
【0077】
なお、チャネル数の半分（４つ）の偏向制御用位相制御部が信号線を共有することとしたが、少なくとも２つの偏向制御用位相制御部が信号線を共有するようにしてもよい。
また、偏向制御用位相制御部７０～７７の電極長の比は、チャネル０からチャネル７に向かって線形に増加もしくは減少してもよく、この場合、偏向制御用位相制御部７０～７７に接続される信号源は単一でよく、あるいは、出力の等しい複数の信号源を用いることができる。また、チャネル０～７に、信号線を共有せずに信号線が独立した偏向制御用位相制御部を設けてもよく、このとき、信号源は偏向制御用位相制御部ごとに個別のものとし、出力は任意である。また、信号源の個数はチャネル数Ｎよりも少ないものとする。なお、第３実施形態に係る光制御デバイス１Ｃの変形例として、マルチチャネル光導波路のチャネル数を奇数であるものとしてもよい。
また、偏向制御用位相制御部７０～７７の電極長の比は、チャネル０からチャネル７に向かって線形に増加もしくは減少してもよく、この場合、偏向制御用位相制御部７０～７７に接続される信号源は単一でよく、あるいは、出力の等しい複数の信号源を用いることができる。また、チャネル０～７に、信号線を共有せずに信号線が独立した偏向制御用位相制御部を設けてもよく、このとき、信号源は偏向制御用位相制御部ごとに個別のものとし、出力は任意である。また、信号源の個数はチャネル数Ｎよりも少ないものとする。なお、第３実施形態に係る光制御デバイス１Ｃの変形例として、マルチチャネル光導波路のチャネル数を奇数であるものとしてもよい。
【0078】
図１６に示す従来のＯＰＡ９０１は、図１７（ａ）を参照して説明した単純な偏向制御や図１７（ｂ）を参照して説明した単純な焦点制御を実現するにも、全チャネルの制御を行う必要がある。このため、従来のＯＰＡ９０１は、焦点・偏向制御により実現される光ビームスポットの空間２次元制御や３次元制御を行うには、多くの消費電力や複雑な信号制御が要求される。これに対して、光制御デバイス１Ｃは、焦点制御用位相制御部１０および偏向制御用位相制御部７０～７７によって、信号制御の簡易化や消費電力の低減を実現することができる。
また、光出力部７のチャネル数がＮである光制御デバイス１Ｃにより、１次元偏向および焦点の制御による２次元空間光ビームスポット制御を行うに必要な信号源の数を、図１６に示す従来構成と比べて減じることができ、２または３で構成することが可能である。
また、光出力部７のチャネル数がＮである光制御デバイス１Ｃにより、１次元偏向および焦点の制御による２次元空間光ビームスポット制御を行うに必要な信号源の数を、図１６に示す従来構成と比べて減じることができ、２または３で構成することが可能である。
【0079】
（第４実施形態）
次に、図９を参照（適宜図８参照）して第４実施形態に係る光制御デバイス９０について説明する。光制御デバイス９０は、空間３次元制御ＯＰＡである。この光制御デバイス９０は、光制御デバイス１Ｄ－０を前段とし、その後段として光制御デバイス１Ｄ－１，１Ｄ－２，１Ｄ－３，１Ｄ－４（以下、区別しない場合には単に１Ｄと表記する）を、それぞれ接続用光導波路６Ｄ－１，６Ｄ－２，６Ｄ－３，６Ｄ－４（以下、区別しない場合には単に６Ｄと表記する）を介して多段接続して構成されている。
光制御デバイス１Ｄは、それぞれが図８に示される光制御デバイス１Ｃのチャネル数を４に減じたものである。つまり、光制御デバイス１Ｄは、光制御デバイス１Ｃの一部分（１：２：１光分配素子３０Ｃ、焦点制御用位相制御部１０２および１ｘ２ ＭＭＩ光スプリッタ２０等）を備える。全チャネル数が４なので、１：２：１光分配素子３０Ｃのうち全光出力に対する出力が１／４である２本の光導波路には、マルチチャネル光導波路＃０，＃３がそれぞれ接続され、１ｘ２ ＭＭＩ光スプリッタ２０の２出力には、マルチチャネル光導波路＃１，＃２がそれぞれ接続される。唯一の焦点制御用位相制御部１０２への入力信号sに対して＃０，＃１，＃２，＃３の位相変化量は０，２ｓ，２ｓ，０となる。また、マルチチャネル光導波路＃０～＃３には、それぞれ偏向制御用位相制御部７２～７５（図８参照）が設けられている。そのため、各光制御デバイス１Ｄは、光制御デバイス１Ｃのように焦点・偏向制御可能な焦点・偏向制御ＯＰＡである。なお、以下の説明において、図８に示す光制御デバイス１Ｃと同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。
次に、図９を参照（適宜図８参照）して第４実施形態に係る光制御デバイス９０について説明する。光制御デバイス９０は、空間３次元制御ＯＰＡである。この光制御デバイス９０は、光制御デバイス１Ｄ－０を前段とし、その後段として光制御デバイス１Ｄ－１，１Ｄ－２，１Ｄ－３，１Ｄ－４（以下、区別しない場合には単に１Ｄと表記する）を、それぞれ接続用光導波路６Ｄ－１，６Ｄ－２，６Ｄ－３，６Ｄ－４（以下、区別しない場合には単に６Ｄと表記する）を介して多段接続して構成されている。
光制御デバイス１Ｄは、それぞれが図８に示される光制御デバイス１Ｃのチャネル数を４に減じたものである。つまり、光制御デバイス１Ｄは、光制御デバイス１Ｃの一部分（１：２：１光分配素子３０Ｃ、焦点制御用位相制御部１０２および１ｘ２ ＭＭＩ光スプリッタ２０等）を備える。全チャネル数が４なので、１：２：１光分配素子３０Ｃのうち全光出力に対する出力が１／４である２本の光導波路には、マルチチャネル光導波路＃０，＃３がそれぞれ接続され、１ｘ２ ＭＭＩ光スプリッタ２０の２出力には、マルチチャネル光導波路＃１，＃２がそれぞれ接続される。唯一の焦点制御用位相制御部１０２への入力信号sに対して＃０，＃１，＃２，＃３の位相変化量は０，２ｓ，２ｓ，０となる。また、マルチチャネル光導波路＃０～＃３には、それぞれ偏向制御用位相制御部７２～７５（図８参照）が設けられている。そのため、各光制御デバイス１Ｄは、光制御デバイス１Ｃのように焦点・偏向制御可能な焦点・偏向制御ＯＰＡである。なお、以下の説明において、図８に示す光制御デバイス１Ｃと同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。
【0080】
前段の光制御デバイス１Ｄ－０に備わる第１の光出力部７は、長さL1の接続用光導波路６Ｄ－１を介して、後段の光制御デバイス１Ｄ－１の光入力部３に接続されている。
前段の光制御デバイス１Ｄ－０に備わる第２の光出力部７は、長さL2の接続用光導波路６Ｄ－２を介して、後段の光制御デバイス１Ｄ－２の光入力部３に接続されている。
前段の光制御デバイス１Ｄ－０に備わる第３の光出力部７は、長さL3の接続用光導波路６Ｄ－３を介して、後段の光制御デバイス１Ｄ－３の光入力部３に接続されている。
前段の光制御デバイス１Ｄ－０に備わる第４の光出力部７は、長さL4の接続用光導波路６Ｄ－４を介して、後段の光制御デバイス１Ｄ－４の光入力部３に接続されている。
ただし、４本の接続用光導波路６Ｄは、その長さを入射光の波長λで除した余りが等しくなるよう調整されたものとする。すなわち、接続用光導波路６Ｄ－１～６Ｄ－４の長さL1～L4は、L1 mod λ＝L2 mod λ＝L3 mod λ＝L4 mod λを満たすものとする。
前段の光制御デバイス１Ｄ－０に備わる第２の光出力部７は、長さL2の接続用光導波路６Ｄ－２を介して、後段の光制御デバイス１Ｄ－２の光入力部３に接続されている。
前段の光制御デバイス１Ｄ－０に備わる第３の光出力部７は、長さL3の接続用光導波路６Ｄ－３を介して、後段の光制御デバイス１Ｄ－３の光入力部３に接続されている。
前段の光制御デバイス１Ｄ－０に備わる第４の光出力部７は、長さL4の接続用光導波路６Ｄ－４を介して、後段の光制御デバイス１Ｄ－４の光入力部３に接続されている。
ただし、４本の接続用光導波路６Ｄは、その長さを入射光の波長λで除した余りが等しくなるよう調整されたものとする。すなわち、接続用光導波路６Ｄ－１～６Ｄ－４の長さL1～L4は、L1 mod λ＝L2 mod λ＝L3 mod λ＝L4 mod λを満たすものとする。
【0081】
後段の光制御デバイス１Ｄ－１は、４つのチャネルに対応して、マルチチャネル導波路の各チャネルのそれぞれの長さが異なっており、光導波路の長さが長い順に第１～第４の光出力部７をそれぞれ備えている。
同様に、後段の光制御デバイス１Ｄ－２～１Ｄ－４も、光導波路の長さが長い順に第１～第４の光出力部７をそれぞれ備えている。
同様に、後段の光制御デバイス１Ｄ－２～１Ｄ－４も、光導波路の長さが長い順に第１～第４の光出力部７をそれぞれ備えている。
【0082】
光制御デバイス９０の全体としての光出力部は、放射素子群８６で形成されている。放射素子群８６は、ここでは４×４個の放射素子Ｒ１１～Ｒ１４、Ｒ２１～Ｒ２４、Ｒ３１～Ｒ３４、Ｒ４１～Ｒ４４（以下、区別しない場合、単に放射素子Ｒと表記する）を備えている。
放射素子Ｒは、光導波路の伝搬光を基板と垂直な方向（Ｙ軸の正の方向）へ放射する素子であり、一般的にグレーティング（回折格子）や斜めミラー、散乱物体が用いられる。
放射素子Ｒは、光導波路の伝搬光を基板と垂直な方向（Ｙ軸の正の方向）へ放射する素子であり、一般的にグレーティング（回折格子）や斜めミラー、散乱物体が用いられる。
【0083】
放射素子Ｒ１１～Ｒ１４は、光制御デバイス１Ｄ－１に備わる第１～第４の光出力部７の端部にそれぞれ設けられている。
放射素子Ｒ２１～Ｒ２４は、光制御デバイス１Ｄ－２に備わる第１～第４の光出力部７の端部にそれぞれ設けられている。
放射素子Ｒ３１～Ｒ３４は、光制御デバイス１Ｄ－３に備わる第１～第４の光出力部７の端部にそれぞれ設けられている。
放射素子Ｒ４１～Ｒ４４は、光制御デバイス１Ｄ－４に備わる第１～第４の光出力部７の端部にそれぞれ設けられている。
放射素子Ｒ２１～Ｒ２４は、光制御デバイス１Ｄ－２に備わる第１～第４の光出力部７の端部にそれぞれ設けられている。
放射素子Ｒ３１～Ｒ３４は、光制御デバイス１Ｄ－３に備わる第１～第４の光出力部７の端部にそれぞれ設けられている。
放射素子Ｒ４１～Ｒ４４は、光制御デバイス１Ｄ－４に備わる第１～第４の光出力部７の端部にそれぞれ設けられている。
【0084】
光制御デバイス９０において、後段の光制御デバイス１Ｄ－４は、偏向制御用信号端子Ａに偏向制御信号源８７の一方の端子（例えば正極）が接続されており、偏向制御用信号端子Ｂに偏向制御信号源８７の他方の端子（例えば負極）が接続されている。偏向制御信号源８７は、図８に示す信号線８４の偏向制御用信号端子Ａに接続される偏向制御信号源Ａ（不図示）と、この偏向制御信号源Ａの逆相であって信号線８３の偏向制御用信号端子Ｂに接続される偏向制御信号源Ｂ（不図示）とを兼ねる信号源に相当し、図９におけるＸ軸方向の偏向を制御するための信号源である。
【0085】
後段の光制御デバイス１Ｄ－１～１Ｄ－４において、偏向制御用信号端子Ａは、信号線８４（図８参照）によって偏向制御用信号端子ａに接続されており、偏向制御用信号端子Ｂは、信号線８３（図８参照）によって偏向制御用信号端子ｂに接続されている。
後段の光制御デバイス１Ｄ－４の偏向制御用信号端子ａは、後段の光制御デバイス１Ｄ－３の偏向制御用信号端子Ａに接続されている。
後段の光制御デバイス１Ｄ－３の偏向制御用信号端子ａは、後段の光制御デバイス１Ｄ－２の偏向制御用信号端子Ａに接続されている。
後段の光制御デバイス１Ｄ－２の偏向制御用信号端子ａは、後段の光制御デバイス１Ｄ－１の偏向制御用信号端子Ａに接続されている。
後段の光制御デバイス１Ｄ－４の偏向制御用信号端子ｂは、後段の光制御デバイス１Ｄ－３の偏向制御用信号端子Ｂに接続されている。
後段の光制御デバイス１Ｄ－３の偏向制御用信号端子ｂは、後段の光制御デバイス１Ｄ－２の偏向制御用信号端子Ｂに接続されている。
後段の光制御デバイス１Ｄ－２の偏向制御用信号端子ｂは、後段の光制御デバイス１Ｄ－１の偏向制御用信号端子Ｂに接続されている。
したがって、光制御デバイス９０において、後段の光制御デバイス１Ｄ－１～１Ｄ－３も、それぞれ、偏向制御用信号端子Ａに偏向制御信号源８７の一方の端子（例えば正極）が接続されており、偏向制御用信号端子Ｂに偏向制御信号源８７の他方の端子（例えば負極）が接続されている。
後段の光制御デバイス１Ｄ－４の偏向制御用信号端子ａは、後段の光制御デバイス１Ｄ－３の偏向制御用信号端子Ａに接続されている。
後段の光制御デバイス１Ｄ－３の偏向制御用信号端子ａは、後段の光制御デバイス１Ｄ－２の偏向制御用信号端子Ａに接続されている。
後段の光制御デバイス１Ｄ－２の偏向制御用信号端子ａは、後段の光制御デバイス１Ｄ－１の偏向制御用信号端子Ａに接続されている。
後段の光制御デバイス１Ｄ－４の偏向制御用信号端子ｂは、後段の光制御デバイス１Ｄ－３の偏向制御用信号端子Ｂに接続されている。
後段の光制御デバイス１Ｄ－３の偏向制御用信号端子ｂは、後段の光制御デバイス１Ｄ－２の偏向制御用信号端子Ｂに接続されている。
後段の光制御デバイス１Ｄ－２の偏向制御用信号端子ｂは、後段の光制御デバイス１Ｄ－１の偏向制御用信号端子Ｂに接続されている。
したがって、光制御デバイス９０において、後段の光制御デバイス１Ｄ－１～１Ｄ－３も、それぞれ、偏向制御用信号端子Ａに偏向制御信号源８７の一方の端子（例えば正極）が接続されており、偏向制御用信号端子Ｂに偏向制御信号源８７の他方の端子（例えば負極）が接続されている。
【0086】
光制御デバイス９０において、前段の光制御デバイス１Ｄ－０は、偏向制御用信号端子Ａに偏向制御信号源８８の一方の端子（例えば正極）が接続されており、偏向制御用信号端子Ｂに偏向制御信号源８８の他方の端子（例えば負極）が接続されている。偏向制御信号源８８は、図８に示す信号線８４の偏向制御用信号端子Ａに接続される偏向制御信号源Ａ（不図示）と、この偏向制御信号源Ａの逆相であって信号線８３の偏向制御用信号端子Ｂに接続される偏向制御信号源Ｂ（不図示）とを兼ねる信号源に相当し、図９におけるＹ軸方向の偏向を制御するための信号源である。
【0087】
光制御デバイス９０において、前段の光制御デバイス１Ｄ－０は、焦点制御用信号端子Ｃに焦点制御信号源８９の一方の端子（例えば正極）が接続されており、焦点制御信号源８９の他方の端子は接地されている。焦点制御信号源８９は、図９におけるＺ軸方向における焦点位置を制御するための信号源である。
前段の光制御デバイス１Ｄ－０の焦点制御用信号端子Ｃは、後段の光制御デバイス１Ｄ－１～１Ｄ－４の焦点制御用信号端子Ｃにそれぞれ電気的に接続されている。
したがって、光制御デバイス９０において、後段の光制御デバイス１Ｄ－１～１Ｄ－４も、それぞれ、焦点制御用信号端子Ｃに焦点制御信号源８９の一方の端子（例えば正極）が接続されている。
前段の光制御デバイス１Ｄ－０の焦点制御用信号端子Ｃは、後段の光制御デバイス１Ｄ－１～１Ｄ－４の焦点制御用信号端子Ｃにそれぞれ電気的に接続されている。
したがって、光制御デバイス９０において、後段の光制御デバイス１Ｄ－１～１Ｄ－４も、それぞれ、焦点制御用信号端子Ｃに焦点制御信号源８９の一方の端子（例えば正極）が接続されている。
【0088】
光制御デバイス９０は、前記のように構成されているので、各放射素子Ｒの位相分布には、図８に示す光制御デバイス１Ｃの制御と同様な方法を、後段の光制御デバイス１Ｄ－１～１Ｄ－４に適用することにより、焦点・偏向制御された位相分布を与えることができる。同様に、放射素子Ｒの位相分布は、前段の光制御デバイス１Ｄ－０によっても制御され、光システムの線形性により、この制御は、後段の光制御デバイス１Ｄ－１～１Ｄ－４による位相変化に加算される。この結果、光制御デバイス９０は、基板（ＸＺ平面）と平行な平面内で光ビームスポットを偏向し得ることに加え、基板と焦平面との距離（Ｙ軸方向の距離）を同時に制御できる。すなわち、光制御デバイス９０は、光ビームスポットの空間３次元制御が可能である。
【0089】
なお、図９には、チャネル数Ｎが４である５つの光制御デバイス１Ｄを図示したが、光制御デバイス１Ｄのチャネル数は５以上であることが好ましい。例えば光制御デバイス１Ｄのチャネル数が８である場合、合計９個の光制御デバイス１Ｄを組み合わせる。
【0090】
以上をまとめると、光制御デバイス９０は、以下の規則性を備えている。
光制御デバイス９０は、焦点・偏向制御可能な光制御デバイス１Ｄを、その光出力部７の個数よりも１つ多く備えると共に、光出力部７の個数と同数の接続用光導波路６Ｄを備えている。いずれか１つの前段となる光制御デバイス１Ｄ－０が備える複数の光出力部７に、接続用光導波路６Ｄを介して、他の複数の後段となる光制御デバイス１Ｄ－１等の光入力部３がそれぞれ接続されている。いずれか１つの後段となる光制御デバイス１Ｄ－１において複数の偏向制御用位相制御部７２～７５等が共有する信号線８４，８５等は、他の後段となる光制御デバイス１Ｄ－２等において複数の偏向制御用位相制御部７２～７５等が共有する信号線８４，８５等と電気的に接続されている。
図９に示す光制御デバイス９０を用いれば、偏向制御信号源８７，８８と、焦点制御信号源８９との合計３個の信号源を使用するだけで、焦点・偏向制御による空間３次元制御が可能であり、空間３次元制御をするために必要な信号源の個数を大幅に削減することができる。
光制御デバイス９０は、焦点・偏向制御可能な光制御デバイス１Ｄを、その光出力部７の個数よりも１つ多く備えると共に、光出力部７の個数と同数の接続用光導波路６Ｄを備えている。いずれか１つの前段となる光制御デバイス１Ｄ－０が備える複数の光出力部７に、接続用光導波路６Ｄを介して、他の複数の後段となる光制御デバイス１Ｄ－１等の光入力部３がそれぞれ接続されている。いずれか１つの後段となる光制御デバイス１Ｄ－１において複数の偏向制御用位相制御部７２～７５等が共有する信号線８４，８５等は、他の後段となる光制御デバイス１Ｄ－２等において複数の偏向制御用位相制御部７２～７５等が共有する信号線８４，８５等と電気的に接続されている。
図９に示す光制御デバイス９０を用いれば、偏向制御信号源８７，８８と、焦点制御信号源８９との合計３個の信号源を使用するだけで、焦点・偏向制御による空間３次元制御が可能であり、空間３次元制御をするために必要な信号源の個数を大幅に削減することができる。
【0091】
以上、本発明の各実施形態に係る光制御デバイスについて説明したが、本発明の趣旨はこれらの記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈されなければならない。また、これらの記載に基づいて種々変更、改変などしたものも本発明の趣旨に含まれることはいうまでもない。
【実施例0092】
チャネル数Ｎを８とした場合の光制御デバイス１Ｃの実施例について図８を参照（適宜図１，図２，図４～図６，図８参照）して説明する。
本実施例で用いる光導波路は、図２に示す断面構造を有する。作製においては、基板２としてシリコン基板を準備し、シリコン基板表面を焼成して厚さ３μｍの酸化シリコン層により被膜を形成する。そして、基板２の被膜の上に、焦点制御用位相制御部１０および偏向制御用位相制御部７０～７７（以下、単に位相制御部という）のパターンに合わせて厚さ０．１μｍの導電性薄膜を形成して下部電極１１を形成する。その上にクラッド６２（下部クラッド層）となる厚さ２．５μｍの誘電体材料（屈折率１．４８）と、コア６１となる厚さ１．５μｍのＥＯ材料（屈折率１．６２）を順次積層する。必要に応じてＥＯ材料の配向処理を行ったのち、ＥＯ材料層を幅１．５μｍの後記する光導波路パターンにエッチングする。光導波路パターンを形成したのち、その上にクラッド６２（上部クラッド層）となる厚さ２．５μｍの誘電体材料（屈折率１．４８）を積層する。その上に、位相制御部のパターンに合わせて厚さ０．１μｍの導電性材料で被覆し、上部電極１２とする。なお、上部電極１２および下部電極１１は、位相制御部である光導波路にのみ配置されるが、位相制御部以外の光導波路にも、上部電極１２および下部電極１１の片方のみが配置されても構わない。
本実施例で用いる光導波路は、図２に示す断面構造を有する。作製においては、基板２としてシリコン基板を準備し、シリコン基板表面を焼成して厚さ３μｍの酸化シリコン層により被膜を形成する。そして、基板２の被膜の上に、焦点制御用位相制御部１０および偏向制御用位相制御部７０～７７（以下、単に位相制御部という）のパターンに合わせて厚さ０．１μｍの導電性薄膜を形成して下部電極１１を形成する。その上にクラッド６２（下部クラッド層）となる厚さ２．５μｍの誘電体材料（屈折率１．４８）と、コア６１となる厚さ１．５μｍのＥＯ材料（屈折率１．６２）を順次積層する。必要に応じてＥＯ材料の配向処理を行ったのち、ＥＯ材料層を幅１．５μｍの後記する光導波路パターンにエッチングする。光導波路パターンを形成したのち、その上にクラッド６２（上部クラッド層）となる厚さ２．５μｍの誘電体材料（屈折率１．４８）を積層する。その上に、位相制御部のパターンに合わせて厚さ０．１μｍの導電性材料で被覆し、上部電極１２とする。なお、上部電極１２および下部電極１１は、位相制御部である光導波路にのみ配置されるが、位相制御部以外の光導波路にも、上部電極１２および下部電極１１の片方のみが配置されても構わない。
【0093】
前記の基板２には、シリコン基板のほか、ソーダガラスやパイレックス（登録商標）、溶解石英、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、サファイア基板などを使用しても良く、酸化シリコン層は形成せずともよい。
前記の導電性薄膜には金、銀、銅、ニッケル、アルミニウムなどの金属、もしくは金属酸化物や窒化物が好適である。
前記の上部クラッド層および下部クラッド層をなす誘電体材料には、酸化シリコン、五酸化タンタル、五酸化ニオブなどの無機誘電体材料に加え、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）やＳＵ－８等の有機ポリマー材料を適用できる。
前記のコア材料には、ＥＯ効果を有するＬｉＮｂＯ3やＬｉＴａＯ3などの無機物のほか、ＥＯ効果を有するポリマー材料、あるいはＥＯ効果を有する色素を混合したポリマー材料を用いることができる。
前記ＥＯ材料を上部・下部クラッドのいずれか、もしくは両方に用いてもよいが、クラッド材料の屈折率はコア材料の屈折率に比して小さいものとする。
前記コア材料に関し、位相制御部以外の部分において、位相制御部とは異なる誘電体材料を積層し、コアとしてパターニングしてもよい。
前記の導電性薄膜には金、銀、銅、ニッケル、アルミニウムなどの金属、もしくは金属酸化物や窒化物が好適である。
前記の上部クラッド層および下部クラッド層をなす誘電体材料には、酸化シリコン、五酸化タンタル、五酸化ニオブなどの無機誘電体材料に加え、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）やＳＵ－８等の有機ポリマー材料を適用できる。
前記のコア材料には、ＥＯ効果を有するＬｉＮｂＯ3やＬｉＴａＯ3などの無機物のほか、ＥＯ効果を有するポリマー材料、あるいはＥＯ効果を有する色素を混合したポリマー材料を用いることができる。
前記ＥＯ材料を上部・下部クラッドのいずれか、もしくは両方に用いてもよいが、クラッド材料の屈折率はコア材料の屈折率に比して小さいものとする。
前記コア材料に関し、位相制御部以外の部分において、位相制御部とは異なる誘電体材料を積層し、コアとしてパターニングしてもよい。
【0094】
本実施例における光導波路パターンについて図１０を参照して説明する。なお、図面上のサイズは、後記する部品サイズと同じとは限らず誇張している場合がある。また、図１０は、光導波路となる部材を説明するために、図８に示す光制御デバイス１Ｃの焦点制御用位相制御部１０および偏向制御用位相制御部７０～７７の電極、信号線、信号端子を取り除いた説明用の光制御デバイスを符号１Ｅで示す図面である。具体的には、光制御デバイス１Ｅは、光入力部３と、１：６：１光分配素子３０Ａと、１：４：１光分配素子３０Ｂと、１：２：１光分配素子３０Ｃと、１ｘ２ ＭＭＩ光スプリッタ２０と、マルチチャネル光導波路＃０～＃７とを備えている。また、図示を省略しているが、図８に示す光制御デバイス１Ｃと同様に、光制御デバイス１Ｅには、１：６：１光分配素子３０Ａと１：４：１光分配素子３０Ｂとの間には、焦点制御用位相制御部１０６が配置される。また、１：４：１光分配素子３０Ｂと１：２：１光分配素子３０Ｃとの間には、焦点制御用位相制御部１０４が配置される。また、１：２：１光分配素子３０Ｃと１ｘ２ ＭＭＩ光スプリッタ２０との間には、焦点制御用位相制御部１０２が配置される。さらに、マルチチャネル光導波路＃０～＃７には、偏向制御用位相制御部７０～７７が配置される。
【0095】
後記するシミュレーション用に光制御デバイス１Ｅの光部品のサイズは次の通りに設定した。図１０における光入力部３は、幅１．５μｍ、長さ１００μｍの光導波路である。
１：６：１光分配素子３０Ａは、１ｘ８光スプリッタ部４０Ａと、６ｘ１光コンバイナ部５０Ａとを隣接配置した構造である。
１ｘ８光スプリッタ部４０Ａのサイズは、幅８０μｍ、長さ８２６μｍである。
６ｘ１光コンバイナ部５０Ａのサイズは、幅６０μｍ、長さ３１０６μｍである。
１ｘ８光スプリッタ部４０Ａには、幅方向の両端から各５μｍの位置を中心として、マルチチャネル光導波路＃０，＃７がそれぞれ接続される。
１：６：１光分配素子３０Ａは、１ｘ８光スプリッタ部４０Ａと、６ｘ１光コンバイナ部５０Ａとを隣接配置した構造である。
１ｘ８光スプリッタ部４０Ａのサイズは、幅８０μｍ、長さ８２６μｍである。
６ｘ１光コンバイナ部５０Ａのサイズは、幅６０μｍ、長さ３１０６μｍである。
１ｘ８光スプリッタ部４０Ａには、幅方向の両端から各５μｍの位置を中心として、マルチチャネル光導波路＃０，＃７がそれぞれ接続される。
【0096】
１：４：１光分配素子３０Ｂは、１ｘ６光スプリッタ部４０Ｂと、４ｘ１光コンバイナ部５０Ｂとを隣接配置した構造である。
１ｘ６光スプリッタ部４０Ｂのサイズは、幅６０μｍ、長さ６２５μｍである。
４ｘ１光コンバイナ部５０Ｂのサイズは、幅４０μｍ、長さ１２６４μｍである。
１ｘ６光スプリッタ部４０Ｂには、幅方向の両端から各５μｍの位置を中心として、マルチチャネル光導波路＃１，＃６がそれぞれ接続される。
１ｘ６光スプリッタ部４０Ｂのサイズは、幅６０μｍ、長さ６２５μｍである。
４ｘ１光コンバイナ部５０Ｂのサイズは、幅４０μｍ、長さ１２６４μｍである。
１ｘ６光スプリッタ部４０Ｂには、幅方向の両端から各５μｍの位置を中心として、マルチチャネル光導波路＃１，＃６がそれぞれ接続される。
【0097】
１：２：１光分配素子３０Ｃは、１ｘ４光スプリッタ部４０Ｃと、２ｘ１光コンバイナ部５０Ｃとを隣接配置した構造である。
１ｘ４光スプリッタ部４０Ｃのサイズは、幅４０μｍ、長さ４２４μｍである。
２ｘ１光コンバイナ部５０Ｃのサイズは、幅２０μｍ、長さ２２２μｍである。
１ｘ４光スプリッタ部４０Ｃには、幅方向の両端から各５μｍの位置を中心として、マルチチャネル光導波路＃２，＃５がそれぞれ接続される。
１ｘ４光スプリッタ部４０Ｃのサイズは、幅４０μｍ、長さ４２４μｍである。
２ｘ１光コンバイナ部５０Ｃのサイズは、幅２０μｍ、長さ２２２μｍである。
１ｘ４光スプリッタ部４０Ｃには、幅方向の両端から各５μｍの位置を中心として、マルチチャネル光導波路＃２，＃５がそれぞれ接続される。
【0098】
１ｘ２ ＭＭＩ光スプリッタ２０のサイズは、幅２０μｍ、長さ２２３μｍである。
１ｘ２ ＭＭＩ光スプリッタ２０には、幅方向の中心から各５μｍの位置を中心として、マルチチャネル光導波路＃３，＃４がそれぞれ接続される。
マルチチャネル光導波路のピッチは１０μｍである。
１ｘ２ ＭＭＩ光スプリッタ２０には、幅方向の中心から各５μｍの位置を中心として、マルチチャネル光導波路＃３，＃４がそれぞれ接続される。
マルチチャネル光導波路のピッチは１０μｍである。
【0099】
本実施例における位相制御部の構成を図８により説明する。
焦点制御用位相制御部１０６は、電極長６ｍｍの位相制御部であり、１：６：１光分配素子３０Ａと１：４：１光分配素子３０Ｂの間に配置され、１：６：１光分配素子３０Ａにおける６ｘ１光コンバイナ部５０Ａの出力端、および１：４：１光分配素子３０Ｂにおける１ｘ６光スプリッタ部４０Ｂの入力端に光導波路を介して接続される。
焦点制御用位相制御部１０４は、電極長４ｍｍの位相制御部であり、１：４：１光分配素子３０Ｂと１：２：１光分配素子３０Ｃの間に配置され、１：４：１光分配素子３０Ｂにおける４ｘ１光コンバイナ部５０Ｂの出力端、および１：２：１光分配素子３０Ｃにおける１ｘ４光スプリッタ部４０Ｃの入力端に光導波路を介して接続される。
焦点制御用位相制御部１０２は、電極長２ｍｍの位相制御部であり、１：２：１光分配素子３０Ｃと１ｘ２ ＭＭＩ光スプリッタ２０の間に配置され、１：２：１光分配素子３０Ｃにおける２ｘ１光コンバイナ部５０Ｃの出力端、および１ｘ２ ＭＭＩ光スプリッタ２０の入力端に光導波路を介して接続される。
焦点制御用位相制御部１０２，１０４，１０６は、同一の断面構造とし、電極長１ｍｍのとき、＋１０Ｖの電圧印加によって位相がおおむね－２π変化する（また、－１０Ｖの電圧印加によって位相がおおむね＋２π変化する）ＥＯポリマーをコア材料に使用した。焦点制御用位相制御部１０２，１０４，１０６は、焦点制御用信号端子Ｃを介して焦点制御信号源８１（図２参照）に接続される。
焦点制御用位相制御部１０６は、電極長６ｍｍの位相制御部であり、１：６：１光分配素子３０Ａと１：４：１光分配素子３０Ｂの間に配置され、１：６：１光分配素子３０Ａにおける６ｘ１光コンバイナ部５０Ａの出力端、および１：４：１光分配素子３０Ｂにおける１ｘ６光スプリッタ部４０Ｂの入力端に光導波路を介して接続される。
焦点制御用位相制御部１０４は、電極長４ｍｍの位相制御部であり、１：４：１光分配素子３０Ｂと１：２：１光分配素子３０Ｃの間に配置され、１：４：１光分配素子３０Ｂにおける４ｘ１光コンバイナ部５０Ｂの出力端、および１：２：１光分配素子３０Ｃにおける１ｘ４光スプリッタ部４０Ｃの入力端に光導波路を介して接続される。
焦点制御用位相制御部１０２は、電極長２ｍｍの位相制御部であり、１：２：１光分配素子３０Ｃと１ｘ２ ＭＭＩ光スプリッタ２０の間に配置され、１：２：１光分配素子３０Ｃにおける２ｘ１光コンバイナ部５０Ｃの出力端、および１ｘ２ ＭＭＩ光スプリッタ２０の入力端に光導波路を介して接続される。
焦点制御用位相制御部１０２，１０４，１０６は、同一の断面構造とし、電極長１ｍｍのとき、＋１０Ｖの電圧印加によって位相がおおむね－２π変化する（また、－１０Ｖの電圧印加によって位相がおおむね＋２π変化する）ＥＯポリマーをコア材料に使用した。焦点制御用位相制御部１０２，１０４，１０６は、焦点制御用信号端子Ｃを介して焦点制御信号源８１（図２参照）に接続される。
【0100】
偏向制御用位相制御部７０～７７には、焦点制御用位相制御部１０２，１０４，１０６と同一の断面構造・材料を適用した。
チャネル０に設けられた偏向制御用位相制御部７０の長さは７ｍｍである。
チャネル１に設けられた偏向制御用位相制御部７１の長さは５ｍｍである。
チャネル２に設けられた偏向制御用位相制御部７２の長さは３ｍｍである。
チャネル３に設けられた偏向制御用位相制御部７３の長さは１ｍｍである。
チャネル４に設けられた偏向制御用位相制御部７４の長さは１ｍｍである。
チャネル５に設けられた偏向制御用位相制御部７５の長さは３ｍｍである。
チャネル６に設けられた偏向制御用位相制御部７６の長さは５ｍｍである。
チャネル７に設けられた偏向制御用位相制御部７７の長さは７ｍｍである。
チャネル０に設けられた偏向制御用位相制御部７０の長さは７ｍｍである。
チャネル１に設けられた偏向制御用位相制御部７１の長さは５ｍｍである。
チャネル２に設けられた偏向制御用位相制御部７２の長さは３ｍｍである。
チャネル３に設けられた偏向制御用位相制御部７３の長さは１ｍｍである。
チャネル４に設けられた偏向制御用位相制御部７４の長さは１ｍｍである。
チャネル５に設けられた偏向制御用位相制御部７５の長さは３ｍｍである。
チャネル６に設けられた偏向制御用位相制御部７６の長さは５ｍｍである。
チャネル７に設けられた偏向制御用位相制御部７７の長さは７ｍｍである。
【0101】
チャネル４～７に設けられた偏向制御用位相制御部７４～７７は、偏向制御用信号端子ｂ（またはＢ）を介して、図示しない共通の偏向制御信号源Ｂにそれぞれ接続される。
チャネル０～３に設けられた偏向制御用位相制御部７０～７３は、偏向制御用信号端子ａ（またはＡ）を介して、図示しない共通の偏向制御信号源Ａにそれぞれ接続される。
なお、本実施例における偏向制御信号源Ａ，Ｂ（不図示）は、出力電圧の大きさが同一かつ、出力電圧の位相が互いに逆相であるものとする。
本実施例の効果を確認するために、数値シミュレーションを実施した。
チャネル０～３に設けられた偏向制御用位相制御部７０～７３は、偏向制御用信号端子ａ（またはＡ）を介して、図示しない共通の偏向制御信号源Ａにそれぞれ接続される。
なお、本実施例における偏向制御信号源Ａ，Ｂ（不図示）は、出力電圧の大きさが同一かつ、出力電圧の位相が互いに逆相であるものとする。
本実施例の効果を確認するために、数値シミュレーションを実施した。
【0102】
上記構造の光制御デバイスについて行った数値シミュレーションについて図１１を参照（適宜、図１、図２および図４参照）して説明する。数値シミュレーションには、光学機器設計に実績のある、ビーム伝搬法シミュレーションソフトウェアＯｐｔｉＢＰＭ（Ｏｐｔｉｗａｖｅ社製）を使用した。また、数値シミュレーションにける入射光は、波長１．５５μｍのＣＷ（Continuous Wave）レーザー光とし、本実施例に示す構造の光制御デバイスの光伝搬を計算し、光出力部７における位相分布を確認した。
【0103】
（焦点制御用位相制御部１０への電圧印加がない場合）
図１１は、焦点制御用位相制御部への電圧印加がない場合のシミュレーション結果を示す図である。すなわち、光制御デバイス１Ｃの焦点制御用信号端子Ｃには、電圧が印加されていない。なお、偏向制御用信号端子Ａ，Ｂにも電圧が印加されていない。
図１１の横軸は、図１におけるＸ軸方向における光出力部７の位置を示し、縦軸は図１におけるＹ軸方向における光出力部７の位置を示している。各軸の目盛の単位はμｍである。図１１では、光出力部７における光位相分布として、光入力部３における光位相を基準（０）とした相対位相値－π～０～＋πを、白～灰色～黒により示した。なお、白枠は光出力部７における光導波路の境界線に相当する。枠の底部（０．０μｍ）から上方２．５μｍまでの範囲の下部クラッドと、その上の１．５μｍ厚のコアとが分かるように仕切り（水平の線）がついているが、その上の２．５μｍ厚の上部クラッド部は一部を省略して図示している。これらの枠の幅は、光導波路の幅（１．５μｍ）である。
図１１は、焦点制御用位相制御部への電圧印加がない場合のシミュレーション結果を示す図である。すなわち、光制御デバイス１Ｃの焦点制御用信号端子Ｃには、電圧が印加されていない。なお、偏向制御用信号端子Ａ，Ｂにも電圧が印加されていない。
図１１の横軸は、図１におけるＸ軸方向における光出力部７の位置を示し、縦軸は図１におけるＹ軸方向における光出力部７の位置を示している。各軸の目盛の単位はμｍである。図１１では、光出力部７における光位相分布として、光入力部３における光位相を基準（０）とした相対位相値－π～０～＋πを、白～灰色～黒により示した。なお、白枠は光出力部７における光導波路の境界線に相当する。枠の底部（０．０μｍ）から上方２．５μｍまでの範囲の下部クラッドと、その上の１．５μｍ厚のコアとが分かるように仕切り（水平の線）がついているが、その上の２．５μｍ厚の上部クラッド部は一部を省略して図示している。これらの枠の幅は、光導波路の幅（１．５μｍ）である。
【0104】
図１１によれば、チャネル０～３の光位相はそれぞれ３．０３２５，１．１４３２，－１．４７７，１．０４４である。
光位相が２πの整数倍を加算・減算しても同一であることを考慮すると、チャネル０～３の光位相は０．０，２３．２４，３９．４７，４８．２８と読み替えることができ、これを多項式でフィッティングすると－４(jp－3.5p)2＋48.775となり、１ｘ８ ＭＭＩ光スプリッタの作用により、２次の位相分布となっていることがわかる。
なお、チャネル７～４の光位相は、チャネル０～３の光位相と同様であり、チャネル０，７の光位相は、チャネル３，４の光位相に比べて遅れている。この遅れは、例えば図１のマルチチャネル光導波路＃７の位相と、マルチチャネル光導波路＃４の位相が同じになっている地点を結ぶと、Ｚ軸において、マルチチャネル光導波路＃７の該当地点がマルチチャネル光導波路＃４の該当地点より左側に位置することに対応する。
光位相が２πの整数倍を加算・減算しても同一であることを考慮すると、チャネル０～３の光位相は０．０，２３．２４，３９．４７，４８．２８と読み替えることができ、これを多項式でフィッティングすると－４(jp－3.5p)2＋48.775となり、１ｘ８ ＭＭＩ光スプリッタの作用により、２次の位相分布となっていることがわかる。
なお、チャネル７～４の光位相は、チャネル０～３の光位相と同様であり、チャネル０，７の光位相は、チャネル３，４の光位相に比べて遅れている。この遅れは、例えば図１のマルチチャネル光導波路＃７の位相と、マルチチャネル光導波路＃４の位相が同じになっている地点を結ぶと、Ｚ軸において、マルチチャネル光導波路＃７の該当地点がマルチチャネル光導波路＃４の該当地点より左側に位置することに対応する。
【0105】
（焦点制御用位相制御部１０へ１２．５Ｖの電圧印加）
次に、光制御デバイス１Ｃの焦点制御用信号端子Ｃに対して、焦点制御信号源８１（図２参照）より１２．５Ｖの電圧を与える。このとき、焦点制御用位相制御部１０２，１０４，１０６における位相変化量は２．５π，５．０π，７．５πとなり、チャネル０～３の光位相には０．０，－２３．５６，－３９．２７，－４７．１２の変化が起きる。この結果、光路長の違いによる光位相分布が平坦化される。図１２は、このときのビーム伝搬シミュレーションの結果を示す図である。図１２により、光出力部７における位相分布が平坦化されたことが確認できる。
次に、光制御デバイス１Ｃの焦点制御用信号端子Ｃに対して、焦点制御信号源８１（図２参照）より１２．５Ｖの電圧を与える。このとき、焦点制御用位相制御部１０２，１０４，１０６における位相変化量は２．５π，５．０π，７．５πとなり、チャネル０～３の光位相には０．０，－２３．５６，－３９．２７，－４７．１２の変化が起きる。この結果、光路長の違いによる光位相分布が平坦化される。図１２は、このときのビーム伝搬シミュレーションの結果を示す図である。図１２により、光出力部７における位相分布が平坦化されたことが確認できる。
【0106】
（焦点制御用位相制御部１０へ１５Ｖの電圧印加）
次に、光制御デバイス１Ｃの焦点制御用信号端子Ｃに対して、焦点制御信号源８１（図２参照）より１５Ｖの電圧を与える。このとき、焦点制御用位相制御部１０２，１０４，１０６における位相変化量は３π，６π，９πとなり、光出力部７の前方（図８における右）に焦点を結ぶ収束球面波が出射される。
次に、光制御デバイス１Ｃの焦点制御用信号端子Ｃに対して、焦点制御信号源８１（図２参照）より１５Ｖの電圧を与える。このとき、焦点制御用位相制御部１０２，１０４，１０６における位相変化量は３π，６π，９πとなり、光出力部７の前方（図８における右）に焦点を結ぶ収束球面波が出射される。
【0107】
図１３は、この場合のシミュレーション結果である位相分布を示すグラフである。
図１３の横軸は、図１におけるＸ軸方向における光出力部７の位置を示す。図１３の縦軸は光位相を示し、チャネル０，７の光位相を基準０にして進んでいる光位相を正で示し、遅れている光位相を負で示している。図１３において、シミュレーションで得られたチャネル０～７の光位相をプロットしてこれらを繋いだ３種の線のうち、太線は、１５Ｖの電圧を印加した場合の結果を示している。なお、細線は、参考であって、電圧を印加していない場合の結果を示し、一点鎖線は、参考であって、１２．５の電圧を印加した場合の結果を示している。
図１３の横軸は、図１におけるＸ軸方向における光出力部７の位置を示す。図１３の縦軸は光位相を示し、チャネル０，７の光位相を基準０にして進んでいる光位相を正で示し、遅れている光位相を負で示している。図１３において、シミュレーションで得られたチャネル０～７の光位相をプロットしてこれらを繋いだ３種の線のうち、太線は、１５Ｖの電圧を印加した場合の結果を示している。なお、細線は、参考であって、電圧を印加していない場合の結果を示し、一点鎖線は、参考であって、１２．５の電圧を印加した場合の結果を示している。
【0108】
図１３に示す通り、焦点制御信号源８１（図２参照）から１５Ｖの電圧が出力されたときのチャネル０，１，２，３の光位相は０，－４．９９，－７．６４，－８．３１であり、多項式で近似すると、結果は、0.0071(jp－3.5p)2－8.9522となる。なお、ピッチpがミクロン単位なので0.0071の次元は（1/μｍ）2である。上記結果のうち、-8.9522は、位相の基準位置を決める定数項であるから、上記結果からこの定数項を除いて、前記した式（４）と比較すると、焦点位置を求めることができる。ここでは、式（４）中のuは０であるので、比較により、2π/(2fλ)=0.0071となる。これをfの式に変形して入射光の波長λを１．５５μｍとした場合、焦点位置fは０．２８５ｍｍとなる。この焦点距離の値（正の値）により、光出力部７の前方（図８における右；図１３の縦軸の正の方向に対応）に焦点を結ぶ収束球面波（図３（ａ）参照）が出射されることが示される。
【0109】
（偏向制御用位相制御部７０～７７への電圧印加）
図８の光制御デバイス１Ｃにおいて、出力光ビームを平行光とするために焦点制御用信号端子Ｃに対して１２．５Ｖの電圧を印加し、その上で、偏向制御用信号端子Ａに対して－１０Ｖの電圧を印加し、偏向制御用信号端子Ｂに対して＋１０Ｖの電圧を印加した。すなわち、焦点制御用位相制御部１０２，１０４，１０６に対して１２．５Ｖの電圧を印加しながら、偏向制御用位相制御部７０～７３に対して－１０Ｖの電圧を印加し、かつ、偏向制御用位相制御部７４～７７に対して＋１０Ｖの電圧を印加した。なお、この条件は、焦点制御信号源８１（図２参照）の出力を１２．５Ｖとして、不図示の偏向制御信号源Ａ，Ｂの出力を－１０Ｖ，＋１０Ｖとした場合に相当する（以下、第１条件という）。
次に、不図示の偏向制御信号源Ａ，Ｂの出力を入れ替えた。すなわち、焦点制御信号源８１（図２参照）の出力を１２．５Ｖとして、不図示の偏向制御信号源Ａ，Ｂの出力を＋１０Ｖ，－１０Ｖとした（以下、第２条件という）。
図８の光制御デバイス１Ｃにおいて、出力光ビームを平行光とするために焦点制御用信号端子Ｃに対して１２．５Ｖの電圧を印加し、その上で、偏向制御用信号端子Ａに対して－１０Ｖの電圧を印加し、偏向制御用信号端子Ｂに対して＋１０Ｖの電圧を印加した。すなわち、焦点制御用位相制御部１０２，１０４，１０６に対して１２．５Ｖの電圧を印加しながら、偏向制御用位相制御部７０～７３に対して－１０Ｖの電圧を印加し、かつ、偏向制御用位相制御部７４～７７に対して＋１０Ｖの電圧を印加した。なお、この条件は、焦点制御信号源８１（図２参照）の出力を１２．５Ｖとして、不図示の偏向制御信号源Ａ，Ｂの出力を－１０Ｖ，＋１０Ｖとした場合に相当する（以下、第１条件という）。
次に、不図示の偏向制御信号源Ａ，Ｂの出力を入れ替えた。すなわち、焦点制御信号源８１（図２参照）の出力を１２．５Ｖとして、不図示の偏向制御信号源Ａ，Ｂの出力を＋１０Ｖ，－１０Ｖとした（以下、第２条件という）。
【0110】
図１４は、前記第１条件および第２条件の場合のシミュレーション結果である位相分布を示すグラフである。図１４の横軸および縦軸は、図１３の横軸および縦軸と同様のものである。図１４において、シミュレーションで得られたチャネル０～７の光位相をプロットしてこれらを繋いだ３種の線のうち、太線は、前記第１条件（不図示の偏向制御信号源Ａ，Ｂの出力を－１０Ｖ，＋１０Ｖとした場合）の結果を示している。破線は、前記第２条件（不図示の偏向制御信号源Ａ，Ｂの出力を＋１０Ｖ，－１０Ｖとした場合）の結果を示している。一点鎖線は、参考であって、不図示の偏向制御信号源Ａ，Ｂの出力を０Ｖ，０Ｖとした場合の結果を示している。
【0111】
図１４に示すように前記第１条件（不図示の偏向制御信号源Ａ，Ｂの出力を－１０Ｖ，＋１０Ｖとした場合）では、位相分布は傾き－０．２の直線で近似される。よって、光位相πが、図１におけるＺ軸方向の距離π［μｍ］に対応する場合、第１条件では、図８の光制御デバイス１Ｃから、おおむねtan-1(-0.2)＝－１１．３°偏向した光ビームが形成されることが分かる。
【0112】
同様に、前記第２条件（不図示の偏向制御信号源Ａ，Ｂの出力を＋１０Ｖ，－１０Ｖとした場合）では、位相分布は傾き＋０．２の直線で近似される。よって、光位相πが、図１におけるＺ軸方向の距離π［μｍ］に対応する場合、第２条件では、図８の光制御デバイス１Ｃから、おおむねtan-1(0.2)＝１１．３°偏向した光ビームが形成されることが分かる。
【0113】
（焦点と偏向を同時制御）
次に、焦点と偏向を同時に制御した場合の動作を調べるために、図８の光制御デバイス１Ｃにおいて、焦点制御用信号端子Ｃに対して１５Ｖの電圧を印加し、その上で、偏向制御用信号端子Ａに対して－１０Ｖの電圧を印加し、偏向制御用信号端子Ｂに対して＋１０Ｖの電圧を印加した。なお、この条件は、焦点制御信号源８１（図２参照）の出力を１５Ｖとして、不図示の偏向制御信号源Ａ，Ｂの出力を－１０Ｖ，＋１０Ｖとした場合に相当する（以下、第３条件という）。
次に、不図示の偏向制御信号源Ａ，Ｂの出力を入れ替えた。すなわち、焦点制御信号源８１（図２参照）の出力を１５Ｖとして、不図示の偏向制御信号源Ａ，Ｂの出力を＋１０Ｖ，－１０Ｖとした（以下、第４条件という）。
次に、焦点と偏向を同時に制御した場合の動作を調べるために、図８の光制御デバイス１Ｃにおいて、焦点制御用信号端子Ｃに対して１５Ｖの電圧を印加し、その上で、偏向制御用信号端子Ａに対して－１０Ｖの電圧を印加し、偏向制御用信号端子Ｂに対して＋１０Ｖの電圧を印加した。なお、この条件は、焦点制御信号源８１（図２参照）の出力を１５Ｖとして、不図示の偏向制御信号源Ａ，Ｂの出力を－１０Ｖ，＋１０Ｖとした場合に相当する（以下、第３条件という）。
次に、不図示の偏向制御信号源Ａ，Ｂの出力を入れ替えた。すなわち、焦点制御信号源８１（図２参照）の出力を１５Ｖとして、不図示の偏向制御信号源Ａ，Ｂの出力を＋１０Ｖ，－１０Ｖとした（以下、第４条件という）。
【0114】
図１５は、前記第３条件および第４条件の場合のシミュレーション結果である位相分布を示すグラフである。図１５の横軸および縦軸は、図１３の横軸および縦軸と同様のものである。図１５において、シミュレーションで得られたチャネル０～７の光位相を×印でプロットして繋いだ線は、前記第３条件（焦点制御信号源８１（図２参照）の出力を１５Ｖとして、不図示の偏向制御信号源Ａ，Ｂの出力を－１０Ｖ，＋１０Ｖとした場合）の結果を示している。
チャネル０～７の光位相を三角形の印でプロットして繋いだ線は、前記第４条件（焦点制御信号源８１（図２参照）の出力を１５Ｖとして、不図示の偏向制御信号源Ａ，Ｂの出力を＋１０Ｖ，－１０Ｖとした場合）の結果を示している。
チャネル０～７の光位相を丸印でプロットして繋いだ線は、参考であって、焦点制御信号源８１（図２参照）の出力を１５Ｖとして、不図示の偏向制御信号源Ａ，Ｂの出力を０Ｖ，０Ｖとした場合の結果を示している。
チャネル０～７の光位相を三角形の印でプロットして繋いだ線は、前記第４条件（焦点制御信号源８１（図２参照）の出力を１５Ｖとして、不図示の偏向制御信号源Ａ，Ｂの出力を＋１０Ｖ，－１０Ｖとした場合）の結果を示している。
チャネル０～７の光位相を丸印でプロットして繋いだ線は、参考であって、焦点制御信号源８１（図２参照）の出力を１５Ｖとして、不図示の偏向制御信号源Ａ，Ｂの出力を０Ｖ，０Ｖとした場合の結果を示している。
【0115】
図１５に示すように前記第３条件（焦点制御信号源８１（図２参照）の出力を１５Ｖ、不図示の偏向制御信号源Ａ，Ｂの出力を－１０Ｖ，＋１０Ｖとした場合）では、位相分布は、焦点距離０．２８ｍｍ、かつ、傾き－０．２（偏向角：－１１．３°）の２次曲線（×印でプロットして繋いだ線）で近似される。
同様に、前記第４条件（焦点制御信号源８１（図２参照）の出力を１５Ｖ、不図示の偏向制御信号源Ａ，Ｂの出力を＋１０Ｖ，－１０Ｖとした場合）では、位相分布は、焦点距離０．２８ｍｍ、かつ、傾き－０．２（偏向角：－１１．３°）の２次曲線（三角形の印でプロットして繋いだ線）で近似される。
以上の結果により、光制御デバイス１Ｃにより所望の焦点位置・偏向角を有する光ビームを形成できることが示された。
同様に、前記第４条件（焦点制御信号源８１（図２参照）の出力を１５Ｖ、不図示の偏向制御信号源Ａ，Ｂの出力を＋１０Ｖ，－１０Ｖとした場合）では、位相分布は、焦点距離０．２８ｍｍ、かつ、傾き－０．２（偏向角：－１１．３°）の２次曲線（三角形の印でプロットして繋いだ線）で近似される。
以上の結果により、光制御デバイス１Ｃにより所望の焦点位置・偏向角を有する光ビームを形成できることが示された。
【産業上の利用可能性】
【0116】
本実施形態に係る光制御デバイスは、光フェーズドアレイ、小惑星探査機の母船とその衛星との通信に使うアンテナ等の空間光通信、車載用レーダーに使うビームスキャン装置、奥行センサ、レーダー、ＬｉＤＡＲ、可視光ビームスキャン装置、立体ディスプレイ等、種々の光制御デバイスに幅広く利用することができる。
【符号の説明】
【0117】
１，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ 光制御デバイス
２ 基板
３ 光入力部
４ 光分離部
５ マルチチャネル光導波路
６ 光導波路
６Ａ１ ６／８出力光導波路
６Ｂ１ ４／６出力光導波路
６Ｃ１ ２／４出力光導波路
６Ｄ 接続用光導波路
７ 光出力部
１０，１０２，１０４，１０６ 焦点制御用位相制御部
１１ 下部電極
１２ 上部電極
２０ １ｘ２ ＭＭＩ光スプリッタ
３０ 光分配素子
３０Ａ １：６：１光分配素子（光分配素子）
３０Ｂ １：４：１光分配素子（光分配素子）
３０Ｃ １：２：１光分配素子（光分配素子）
４０Ａ １ｘ８光スプリッタ部
４０Ｂ １ｘ６光スプリッタ部
４０Ｃ １ｘ４光スプリッタ部
５０Ａ ６ｘ１光コンバイナ部
５０Ｂ ４ｘ１光コンバイナ部
５０Ｃ ２ｘ１光コンバイナ部
６１ コア
６２ クラッド
７０，７１，７２，７３，７４，７５，７６，７７ 偏向制御用位相制御部
８１ 焦点制御信号源
８２，８３，８４，８５ 信号線
８６ 放射素子群
８７，８８ 偏向制御信号源
８９ 焦点制御信号源
９０ 光制御デバイス
ｆ 焦点位置
Ｒ１１－Ｒ１４，Ｒ２１－Ｒ２４，Ｒ３１－Ｒ３４，Ｒ４１－Ｒ４４ 放射素子
２ 基板
３ 光入力部
４ 光分離部
５ マルチチャネル光導波路
６ 光導波路
６Ａ１ ６／８出力光導波路
６Ｂ１ ４／６出力光導波路
６Ｃ１ ２／４出力光導波路
６Ｄ 接続用光導波路
７ 光出力部
１０，１０２，１０４，１０６ 焦点制御用位相制御部
１１ 下部電極
１２ 上部電極
２０ １ｘ２ ＭＭＩ光スプリッタ
３０ 光分配素子
３０Ａ １：６：１光分配素子（光分配素子）
３０Ｂ １：４：１光分配素子（光分配素子）
３０Ｃ １：２：１光分配素子（光分配素子）
４０Ａ １ｘ８光スプリッタ部
４０Ｂ １ｘ６光スプリッタ部
４０Ｃ １ｘ４光スプリッタ部
５０Ａ ６ｘ１光コンバイナ部
５０Ｂ ４ｘ１光コンバイナ部
５０Ｃ ２ｘ１光コンバイナ部
６１ コア
６２ クラッド
７０，７１，７２，７３，７４，７５，７６，７７ 偏向制御用位相制御部
８１ 焦点制御信号源
８２，８３，８４，８５ 信号線
８６ 放射素子群
８７，８８ 偏向制御信号源
８９ 焦点制御信号源
９０ 光制御デバイス
ｆ 焦点位置
Ｒ１１－Ｒ１４，Ｒ２１－Ｒ２４，Ｒ３１－Ｒ３４，Ｒ４１－Ｒ４４ 放射素子
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】