JP2019100932A

JP2019100932A - 光偏向素子の性能評価装置

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Publication number: JP2019100932A
Application number: JP2017233900A
Authority: JP
Inventors: 克田中; Katsu Tanaka; 靖本山; Yasushi Motoyama; 芳邦平野; Yoshikuni Hirano; 菊池　宏; Hiroshi Kikuchi; 宏菊池
Original assignee: Nippon Hoso Kyokai NHK; Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2017-12-06
Filing date: 2017-12-06
Publication date: 2019-06-24
Anticipated expiration: 2037-12-06
Also published as: JP7133307B2

Abstract

【課題】マルチ光導波路を用いた光偏向素子における各光導波路の初期位相と電気光学定数を直接的に測定できる光偏向素子の性能評価装置を提供する。【解決手段】性能評価装置は、レーザ光を偏光する偏光子と、偏光子に接続される光偏向素子の光入射端にニアフィールドで光学的に結合される光出射端を有する第１光ファイバと、光偏向素子の光出射端にニアフィールドで光学的に結合される光入射端を有する第２光ファイバと、第２光ファイバからレーザ光が入射される波長板と、偏光子とクロスニコルの関係で波長板の出力側に配置される検光子と、検光子の出射光に含まれる、光導波路で付与された位相差を相殺する位相補償器と、位相補償器の出射光を検出する光検出部と、光検出部の検出光の出力を検出する出力検出部と、光導波路に印加する電圧を制御する制御部と、電圧の印加による光導波路におけるレーザ光の位相の変化量を演算する演算部とを含む。【選択図】図２

Description

本発明は、光偏向素子の性能評価装置に関する。

光を偏向する素子として、機械的な動作原理に基づくMEMS（メムス、Micro Electro Mechanical Systems）がすでに開発されている。一方、機械的な動作を伴わないで電気的に偏向動作させる偏向素子として、光フェーズドアレイが急速に期待を集めるようになってきた（例えば、特許文献１参照）。

光フェーズドアレイは、従来の機械的な偏向素子と異なり、発生した光ビームの偏向動作に加えて、光の収束や発散が自在に行える。一方、これら、光の偏向、収束、発散を行うためには、光フェーズドアレイの個々のチャンネル光導波路(0ptical channel waveguide、略称としてチャンネルまたは光導波路と表記)ごとに搭載された位相シフタについて、位相補正を行ってフィードバック制御を行わなければならない（例えば、特許文献２参照）。

さらに光フェーズドアレイの位相制御を行うためには、光フェーズドアレイを構成するチャンネル毎に、電気的な光の位相制御行う必要がある。電気的に光の位相を変調する手段としては、液晶、熱光学効果、電気光学（EO：electro-optic）効果がある。中でも、EO効果は、10GHｚ以上の超高速応答性があるため、光フェーズドアレイの位相シフタとして好適である。

一方、EO効果を使ったデバイスの性能指標として、電気光学定数がある。例えばEO効果を発現する材料として、EOポリマーの場合、電気光学効果による屈折率n変化の大きさを表す電気光学定数（EO定数：ポッケレス定数）ｒは、変調する印加電界Eとして、次式（１）で表される。

また、電場Eを印加したときの屈折率n(E)は、さらに次式（２）で近似することができる。

電気光学定数ｒは、通常ｒ₁₃、ｒ₃₃などの表記などテンソル量として記述される。

従来までにEO 定数の測定方法としては、マイケルソン（Michelson）干渉法やマッハツェンダー（Mach-Zehnder）干渉法のように2つの光路に分かれた位相差から検出する位相検出法とセナルモン（Senarmont）法のように互いに直交した二つの直線偏光の間の印加電界による位相差を検出する位相差検出法とに大別されている（例えば、特許文献３参照）。

セナルモン法では、リターダであるバビネソレイユ(Babinet-Soleil)補償板や1/4波長板などによって偏光の補償を行いながら位相差を検出し、位相差の外部電界（実際には、素子に印加する電圧）特性からEO効果の性能指数である電気光学定数を算出する（例えば、特許文献３参照）。

セナルモン法による位相差評価については、一種のエリプソメトリー(ellipsometry)法と考えることもできる。特に反射型エリプソメトリー(reflection ellipsometry)法を使った方法による電気光学定数の測定法としては、C.C. TengとH. T. Manらによって開発されたTeng-Man法が被測定試料の準備および測定手法の簡便さから広く用いられている（例えば、非特許文献１参照）。

この手法では、ガラス基板/透明電極/EO材料/金属電極の試料を用意し、試料に対して45°に偏光したレーザ光をガラス基板側から入射させる。ここで、ＥＯ材料は、例えばＥＯポリマーなど電気光学効果を有する材料を想定している。また、その際、試料内部からの信号を含まないガラス基板表面からの光反射の影響を除去するため、アパチャー（細孔）を使って空間的にガラス基板表面からの反射光をブロックすることで、測定精度を高めている。

一方、最近になって、山田らのグループによって、Teng-Man法による反射型に代えて、試料の透過光を利用し、しかもアパチャーを設けることなく測定精度の高い電気光学定数の測定法が開発された（例えば、非特許文献２参照）。

この透過型の手法は、アパチャーを設けていないことを特徴とし、ガラス基板と試料間による多重反射や試料内部での多重反射の影響を受けないため、従来のTeng-Man法に比べて高い測定精度を持つEO定数の算出が可能となっている。

これらの算出法は、EO材料について、材料固有の性能を測定するためには有効な手段であって、ガラス基板/透明電極/EO材料/金属電極などのスラブ型、または結晶を用いたバルク型と呼ばれるデバイスのEO定数を求めるのに用いられてきた。これらスラブ型やバルク型の光変調デバイスは実用化されているものの、近年では高速性動作が期待できる光導波路構造を持つデバイス、特に光導波のコア径が2μｍ程度のデバイスも多く開発されるようになってきた。

光導波路型として最も単純な光変調素子は、Mach-Zehnder型素子であって、2本の光導波路から構成されたデバイスを基本構造とする。このデバイスの場合間の光干渉を利用した光変調器に代表されるように、干渉効果を利用した光出力の出力特性から直接電気光学定数を求めることができる。すなわち、2つの導波路間の位相差成分が直接光出力強度に反映されるため、光出力のオン、オフを与える印加電圧の値から半波長電圧（πの位相差を与える最小駆動電圧）Vπを求めることで、簡単にしかも高精度に電気光学定数を求めることができる。

一方、最近になって2本以上の光導波路をもつマルチ光導波路を用いたデバイスも開発されるようになってきた。この技術は、例えば光フェーズドアレイに代表されるように、光出力ビームの偏向方向に加えて、光ビーム形状が制御できるなど、その出力光ビームの高い制御性が注目されている。

マルチ光導波路を使った光偏向位素子の場合、その光出力特性は、2つの導波路間の単純な干渉効果とは異なって、複数の光導波路を伝搬した光による合成ビームが出力される。このため、個別の導波路1本1本の初期位相と各導波路に埋め込まれた位相シフタ（EO素子）の電気光学定数を求めることが求められる。現在までに、光導波路の1本1本の印加電圧を個別に制御しながら、マルチ光導波路の合成ビームの出力形状を測定することで、各光導波路の初期位相と電気光学定数を算出する方法が提案されている。この手法によれば、マルチ光導波路出力の合成ビームの形状をモニタしながら、個別の光導波路の位相を制御して、全体最適化によって主ビーム（メインローブ）が効率的に形成されるようなフィードバック制御を確立することができるとされている。

特表２０１６−５０８２３５号公報特表２０１５−５０９２０７号公報特開平１−０７４４３４号公報

C. C. Teng and H. T. Man; Simple reflection technique for measuring the electro‐optic coefficient of poled polymers Appl. Phys. Lett. 56, 1734 (1990) Toshiki Yamada, and Akira Otomo. Transmission ellipsometric method without an aperture for simple and reliable evaluation of electro-optic properties under various ambient conditions Optics Express Vol. 21, No. 24, 29240.

光導波のコア径が2μｍ程度のマルチ光導波路を用いた光フェーズドアレイも多く開発されるようになってきた。従来の電気光学定数を算出する方法は、マルチ光導波路の出射端から出力された光の合成ビームの評価を前提としている。また、光学領域の出力についても、合成光ビームが観察できるフランフォーファー領域での光ビームが前提である。バルク型位相変調素子やMach-Zehnder型素子では、位相変調された後の光ビームを検出し、その出力特性から電気光学定数を算出している。

また、マルチ光導波路からの光ビーム形成についても、現在までに報告されている電気光学定数の評価手法は、マルチ光導波路出力の合成ビームの形状をモニタしながら、個別の光導波路の位相を制御することで、全体最適化によって主ビーム（メインローブ）が効率的に形成されるようなフィードバック制御をかけることである。このため、光導波路の本数が増えるにつれて、個別に制御しなければならない制御パラメータは激増してしまう。

具体的には、光ビーム形状解析装置のモニタ上の座標(x、y)での光強度を測定し、N本からなるマルチ光導波路の場合、ｎ本目（1≦ｎ≦N）の光導波路の個別の電圧を最小印加電圧Vminから最大印加電圧Vmaxまで印加電圧を変化させながら、モニタの座標(x、y)での光強度をモニタする。その際、各光導波路の印加電圧を変化させることで所望の主ビーム（メインローブ）が位相整合によって形成されるように最適化し、設計値との誤差が最小化するまで、個々の光導波路の印加電圧について何回もフィードバック制御をかける必要がある。

もう一つの課題は、マルチ光導波路の初期位相の測定（把握）が不可欠になる点である。バルク型位相変調素子やMach-Zehnder型素子では入力チャネル数が2以下であったのに比べて、本方式では初期位相のバラつきが出力特性に大きな影響を与えてしまう。すなわちマルチ光導波路では、1つの光入力から複数の光導波路に光を分岐させるために使用するY分岐の多段化やMMI（マルチモード干渉：Multimode Interference）カップラの入力部への挿入によって、マルチ光導波路の初期位相を考慮したデバイス駆動が必要になる。特にMMIを使用したマルチ光導波路では、チャンネル数が多くなると、初期位相はマルチチャンネル光導波路の中心部分のチャンネルと端部でのチャンネルとの初期位相の差が大きくなり（−πからπまでの位相で大きく変化する場合があるため）初期位相を確定できないと位相整合のとれた出力をもつマルチ光導波路による光フェーズドアレイの駆動はできなくなる。また、マルチ光導波路の初期位相についても、従来は、マルチ光導波路出力の合成ビームの形状をモニタしながら算出していた。つまり、個別の光導波路の位相を制御して、全体最適化のフィードバック制御を行いながら、設計値との誤差が最小化するまで何回もフィードバック制御をかけつつEO定数と初期位相成分の分離を行って初期位相を決定する必要があった。

そこで、マルチ光導波路を用いた光フェーズドアレイを有する光偏向素子における各光導波路の初期位相と電気光学定数を直接的に測定できる光偏向素子の性能評価装置を提供することを目的とする。

本発明の実施の形態の光偏向素子の性能評価装置は、レーザ光源と、前記レーザ光源から出射されるレーザ光を偏光する偏光子と、前記偏光子の光出射端に接続される第１光入射端と、電気光学効果で入射光を偏向する光偏向素子の光導波路の光入射端にニアフィールド(Near field)で光学的に結合される第１光出射端とを有する第１光ファイバと、前記光偏向素子の光出射端にニアフィールドで光学的に結合される第２光入射端と、前記第２光入射端から入射されるレーザ光を出射する第２出射端とを有する第２光ファイバと、前記第２光ファイバの前記第２出射端から出射されるレーザ光が入射され、前記光導波路で付与された位相差を相殺する波長板と、前記偏光子とクロスニコルの関係を満たすように前記波長板の出力側に配置される検光子と、前記検光子から出射されるレーザ光を検出する光検出部と、前記光検出部によって検出されるレーザ光の出力を検出する出力検出部と、前記光偏向素子の光導波路に印加する位相変調用の電圧を制御する電圧制御部と、前記波長板から出射されるレーザ光の位相と、前記波長板がレーザ光に付与する位相差とから、前記位相変調用の電圧の印加による前記光導波路におけるレーザ光の位相の変化量を検出する演算部とを含む。

マルチ光導波路を用いた光フェーズドアレイを有する光偏向素子における各光導波路の初期位相と電気光学定数を直接的に測定できる光偏向素子の性能評価装置を提供することができる。

光偏向素子１００を示す図である。光偏向素子の性能評価装置２００を示す図である。光偏向素子の性能評価装置２００を示す図である。光偏向素子の性能評価装置２００の一部を示す図である。変調電圧Ｖの振幅値Ｖ_ｍを様々な値に変えたときのPD２７０の出力電流Iの振幅値Ｉ_ｍの特性を示す図である。実施の形態の変形例による光偏向素子の性能評価装置２００Ａを示す図である。

以下、本発明の光偏向素子の性能評価装置を適用した実施の形態について説明する。

＜実施の形態＞
図１は、光偏向素子１００を示す図である。図１では、ＸＹＺ座標系を定義する。図１（Ａ）には光偏向素子１００の平面図（ＸＹ平面図）を示し、図１（Ｂ）には斜視図を示す。

光偏向素子１００は、下部電極１１０、クラッド層１２０、コア層１３０、クラッド層１４０、及び上部電極１５０を含む。

下部電極１１０は、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）層を形成した図示しないシリコン（Ｓｉ）ウェハ基板の表面に形成される。なお、基板は、シリコン基板に限られず、例えば、樹脂等の絶縁体製の基板であってもよい。

下部電極１１０は、基板の表面の全体に形成される電極である。下部電極１１０は、上部電極１５０に電圧を印加してコア層１３０の屈折率を制御する際に、基準電位点となる電極である。

下部電極１１０は、基板上面と同一の形状であって、一例として長方形の上面形状を有する基板を用いた場合には、クラッド層１２０の下面（Ｚ軸負方向側の面）の全体に設けられる長方形の下部電極１１０を示す。下部電極１１０は、例えば、基板の表面全面に、クロム（Ｃｒ）層をスパッタ法によって成膜により形成すればよい。クロム層の厚さは、一例として１００ｎｍである。

ここでは、下部電極１１０がクロム層である形態について説明するが、下部電極１１０は、上部電極１５０との間で、クラッド層１２０、コア層１３０、及びクラッド層１４０に電圧を印加できる電極であればよい。このため、下部電極１１０は、クロム層以外の金属層によって構成される金属電極をはじめ、酸化インジウム・酸化亜鉛Ｉｎ₂Ｏ₃-ＺｎＯ（ＩＺＯ：ＩｎｄｉｕｍＺｉｎｃＯｘｉｄｅ）薄膜や酸化スズ添加酸化インジウムＩｎ₂Ｏ₃−ＳｎＯ（ＩＴＯ：ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）薄膜であってもよい。

クラッド層１２０、下部電極１１０のＺ軸正方向側の面に配置される。クラッド層１２０は、平面視で矩形状であり、平面視のサイズは下部電極１１０と等しい。クラッド層１２０の厚さは、一例として０．５μｍである。

クラッド層１２０は、コア層１３０よりも屈折率の低いポリマー材料や無機材料で形成されていればよい。クラッド層１２０は、例えば、ポリマー材料をスピンコート法でポリマー薄膜を作製し、低屈折の無機材料である酸化ケイ素（ＳｉＯ２）をゾル・ゲル法やスパッタリング法により、下部電極１１０のＺ軸正方向側の上面に形成される。

コア層１３０は、電気光学ポリマー（ＥＯポリマー）で形成され導波路１３０Ａ、分岐部１３０Ｂ、分岐導波路１３１〜１３８を有する。このコア層１３０は、クラッド層１２０に重ねて配置される、多モード干渉 (Multi-Mode Interference, MMI)型の導波路である。

導波路１３０Ａは、Ｙ軸負方向側の端部に光入射端１３０Ａ１を有し、光入射端１３０Ａ１と分岐部１３０Ｂとを接続する１本の光導波路である。分岐部１３０Ｂは平面視で矩形状であり、１本の光入射端１３０Ａ１と８本の分岐導波路１３１〜１３８とを接続する。分岐部１３０Ｂは、光入射端１３０Ａ１から入射する光を８個に分けて分岐導波路１３１〜１３８に出力する。分岐導波路１３１〜１３８は、分岐部１３０ＢからＹ軸正方向側の端部まで伸延し、８個の光出射端から８本の光を出射する。分岐導波路１３１〜１３８は、Ｙ軸方向の途中から、互いの間のピッチが狭くなるように折り曲げられている。分岐導波路１３１〜１３８の出射端から出射される８本の光は、出射された後に合成されて１本の光ビームになる。

なお、導波路１３０Ａと分岐導波路１３１〜１３８とは、Ｘ軸方向において、導波路１３０Ａが分岐導波路１３４と１３５との中心に位置するように配置されている。また、導波路１３０ＡはＹ軸に平行に伸延しており、分岐導波路１３１〜１３８は、Ｘ軸方向に等間隔で配置され、Ｙ軸に沿って伸延している。このため、導波路１３０ＡのＹ軸に平行な中心軸は、分岐導波路１３４と１３５とのＸ軸方向における中心を通っている。また、分岐導波路１３１〜１３４と、分岐導波路１３５〜１３８とは、導波路１３０ＡのＹ軸に平行な中心軸を対称軸として線対称に配置されている。

コア層１３０の厚さは、一例として１μｍである。コア層１３０は、ＥＯポリマー材料で構成される。ＥＯポリマー材料としては、例えば、屈折率n = 1.7、電気光学定数r = 70 pm/Vの非線形光学ポリイミドであるトリシアノフラン（TCF）を用いることができる。なお、コア層１３０の材料は、クラッド層１２０及び１４０よりも屈折率の高いＥＯ材料であれば、他の材料を用いてもよい。

クラッド層１２０の上にコア層１３０を積層した後、フォトレジストを塗布し導波路のパターンを作製した。架橋性ＥＯポリマーは、光照射または熱処理後に溶媒に不溶となり、フォトレジストの溶媒や現像液にも耐性があることから、コア層１３０用の架橋性ＥＯポリマーの上に直接フォトレジストを塗布しパターニングできる。次に、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）でフォトレジストがない部分のコア層１３０を削り取りフォトレジストを剥離後に、クラッド層１４０を塗布することにより、分岐導波路１３１〜１３８によるチャンネル導波路が形成される。

コア層１３０は、クラッド層１２０及び１４０によって覆われる。コア層１３０のうち光偏向素子１００の外表面に表出するのは、光入射端１３０Ａ１と、分岐導波路１３１〜１３８の光出射端（８個）のみであり、その他の面はクラッド層１２０及び１４０によって覆われる。

クラッド層１４０は、コア層１３０のＺ軸正方向側に重ねて配置される。クラッド層１４０は、クラッド層１２０と等しい平面視のサイズを有するため、クラッド層１２０のＺ軸正方向側の面のうち、コア層１３０が存在しない部分においては、クラッド層１２０と直接的に接合される。クラッド層１４０は、例えば、スピンコート法でクラッド層用のポリマー材料の薄膜を作製することによって形成される。なお、クラッド層１４０は、コア層より屈折率が低ければ、コア層と同様ＥＯポリマーであっても良く、クラッド層１４０の厚さは、一例として０．５μｍである。

また、上述のような厚さに設定したクラッド層１２０、コア層１３０、及びクラッド層１４０の合計の厚さｄは、２μｍである。

上部電極１５０は、電極１５１〜１５８、及び、配線１５１Ａ〜１５８Ａを有する。電極１５１〜１５８は、それぞれ、平面視で分岐導波路１３１〜１３８の上（Ｚ軸正方向側）に重ねて配置される。上部電極１５０としては、ＩＺＯ薄膜を厚さ200 nmをスパッタリング法で形成し、さらにドライエッチングにより電極パターンを形成した。

電極１５１〜１５８は、それぞれ、分岐導波路１３１〜１３８の屈折率を制御するための屈折率制御電極である。電極１５１〜１５８には、それぞれ、配線１５１Ａ〜１５８Ａが接続される。電極１５１〜１５８には、それぞれ異なる電圧を印加することができるように構成されている。電極１５１〜１５８に印加する電圧を制御して、分岐導波路１３１〜１３８を伝搬する光の位相を制御することにより、分岐導波路１３１〜１３８から出射される８本の光の合成光を偏向することができる。このため、分岐導波路１３１〜１３８のうち、電極１５１〜１５８と重なっている部分を位相シフタと称す。

このような上部電極１５０は、例えば、クラッド層１４０のＺ軸正方向側の面の一面に、ＩＺＯ薄膜を形成し、不要部分（電極１５１〜１５８、及び、配線１５１Ａ〜１５８Ａが存在しないＹ軸方向正方向側の部分）をドライエッチングすることによって形成される。なお、電極１５１〜１５８の厚さは、一例として２００ｎｍである。

さらに上部電極１５０形成後、ＥＯ効果を発現させる手法として、ＥＯポリマー分子を一方向に配向させるポーリング処理が行われる。この手法は、ＥＯポリマーのガラス転移温度（Ｔｇ）付近の温度まで光偏向素子１００を加熱し、さらに上部電極１５０と下部電極１１０間に電圧を印加し、ＥＯポリマーに一方向の電界をかけたまま常温に戻すことで、Ｚ軸方向にＥＯポリマーの色素分子が配向することでＥＯ効果を発現させる。

以上のような構成の光偏向素子１００では、コア層１３０の分岐部１３０Ｂは、分岐導波路１３１〜１３８に出力される光の位相を揃える機構を備えていないため、分岐部１３０Ｂから分岐導波路１３１〜１３８に分岐された光には位相差が生じる。また、ＭＭＩによらずＹ分岐などスターカプラを使った分岐導波路の場合でも、一般的には光導波路の形状加工の精度があるため、程度の差こそあれ位相差を生じる。従って、分岐導波路１３１〜１３８の出力端で生じる位相差は、ＭＭＩ１３０Ｂの分岐導波路１３１〜１３８に分岐する際に生じた位相差に加えて、さらに分岐導波路１３１〜１３８を伝搬する間に生じた光の位相差にも影響される。

なお、光偏向素子１００は、距離計測装置、立体ディスプレイ、レーザーライダー（LiDAR：Light Detection and Ranging）等に用いることができる。

図２及び図３は、光偏向素子の性能評価装置２００を示す図である。また、図４は、光偏向素子の性能評価装置２００の一部を示す図である。図４には、光学顕微鏡で得た写真を示す。以下では、光偏向素子の性能評価装置２００を性能評価装置２００と称す。

図２には、光偏向素子の性能評価装置２００とともに、光偏向素子１００を示す。図２には、光偏向素子１００の上部電極１５０に電圧を供給する変調電圧源１６０と、変調電圧源１６０と配線１５１Ａ〜１５８Ａとの間に設けられるスイッチ１７０Ａ、１７０Ｂとを示す。変調電圧源１６０は、スイッチ１７０Ａ、１７０Ｂを介して、上部電極１５０の電極１５１〜１５８のいずれかに、独立的に正弦波電圧を出力する。これにより、分岐導波路１３１〜１３８を個別に位相制御することができる。スイッチ１７０Ａは、変調電圧源１６０と配線１５１Ａ〜１５４Ａとの間に設けられ、スイッチ１７０Ｂは、変調電圧源１６０と配線１５５Ａ〜１５８Ａとの間に設けられる。スイッチ１７０Ａ、１７０Ｂは、変調電圧源１６０と、配線１５１Ａ〜１５８Ａとの間を独立的に接続するスイッチである。スイッチ１７０Ａ、１７０Ｂを用いることにより、変調電圧源１６０から出力される電圧を配線１５１Ａ〜１５８Ａを介して電極１５１〜１５８に独立的に印加することができる。

ただし、光偏向素子１００の性能指数を検出する際には、スイッチ１７０Ａ又は１７０Ｂを介して、電極１５１〜１５８のうちのいずれか１つ（性能指数の検出対象になる分岐導波路１３１〜１３８のうちのいずれか１つに対応する電極）に対して電圧を供給する。スイッチ１７０Ａ、１７０Ｂの制御も含めて、このような制御は制御部２９０によって行われる。

性能評価装置２００は、レーザ光源(Laser)２１０、偏光子２２０、光ファイバ２３０、光ファイバ２４０、リターダ２５０、検光子２６０、ＰＤ(Photo Diode)２７０、ロックインアンプ２８０、及び制御部２９０を含む。

レーザ光源２１０は、可視光から赤外光までの任意の波長のレーザ光源であって、波長に比例して作製する導波路のサイズは変わる。ここでは一例として、レーザ光の波長を１．５５μｍとする。

偏光子２２０は、レーザ光源２１０と光ファイバ２３０との間に設けられており、Ｚ軸と４５°の角度なす方向に設定することで、レーザ光源２１０から入射されるレーザ光の直線偏光成分を透過する。偏光子２２０は、検光子２６０とクロスニコルの関係を満たすように構成されている。

光ファイバ２３０は、第１光ファイバの一例であり、レンズ部２３１と入射端２３２とを有する。光ファイバ２３０は、入射光の偏波を保持できるレンズ付きのファイバであり、先球ＰＭＦ（Polarization Maintaining Fiber：偏波保持ファイバ）である。レンズ部２３１は、光偏向素子１００の導波路１３０Ａの光入射端１３０Ａ１にニアフィールドで光学的に結合される第１光出射端の一例であり、入射端２３２は、偏光子の光出射端に接続される第１光入射端の一例である。

光ファイバ２４０は、第２光ファイバの一例であり、レンズ部２４１と出射端２４２とを有する。光ファイバ２４０は、光ファイバ２３０と同様に、入射光の偏波を保持できるレンズ付きのファイバであり、先球ＰＭＦである。

レンズ部２４１は、光偏向素子１００の分岐導波路１３１〜１３８のうちの任意の１つの光出射端にニアフィールドで光学的に結合される第２光入射端の一例である。ここで、レンズ部２４１を分岐導波路１３１〜１３８のうちの任意の１つの光出射端にニアフィールドで光学的に結合させるとは、レンズ部２４１と分岐導波路（１３１〜１３８）の光出射端との間の距離が分岐導波路１３１〜１３８の各々の間隔（例えば、６μｍ）に比べて十分に小さく、かつ、レンズ部２４１に測定対象になる分岐導波路から入射する光以外に、他の分岐導波路の光が入射しない状態にすることである。他の分岐導波路の光が入射しない状態にするためのニアフィールドで光学的に結合させる条件については、光出射端の間隔をｄ（上記の例では６μｍ）、レンズ部の先端から光出射端までの距離をｐとしたとき、次式（３）が成立するようにするのが好適である。

図４には、一例として、レンズ部２４１を分岐導波路１３３の光出射端にニアフィールドで光学的に結合させた状態を示す。出射端２４２は、第２光入射端から入射されるレーザ光を出射する第２出射端の一例であり、リターダ２５０に接続される。

光ファイバ２４０は、レンズ部２４１が導波路１３１〜１３８のうちの任意の１つの光出射端にニアフィールドで光学的に結合するように、図示しない移動装置によって移動され、位置決めが行われる。レンズ部２４１が結合される光出射端を有する導波路（１３１〜１３８のうちの１つ）は、性能評価装置２００によって性能指数である電気光学定数ｒが検出される。

リターダ２５０は、光ファイバ２４０と検光子２６０との間に設けられる波長板又は位相補償器の一例である。リターダ２５０は、位相差（リタデーション）を０〜２πで可変できる光学素子であって、液晶可変リターダやバビネソレイユ補償板を用いることができる。リターダ２５０は、導波路（１３１〜１３８のうちの性能指数の検出対象になる１つの導波路）の上部にある電極（１５１〜１５８のうちの対応する１つ）に電圧を印加していない状態で、導波路中をレーザ光が伝搬する間に生じた位相差を相殺するように、伝搬光に位相差を付与する。リターダ２５０が付与する位相差は、導波路１３１〜１３８の各々に電極１５１〜１５８から電圧を印加していない状態で導波路１３１〜１３８がレーザ光に付与する位相差を測定し、その位相を相殺する位相に設定すればよい。

検光子２６０は、リターダ２５０とＰＤ２７０との間に設けられ、リターダ２５０から入射されるレーザ光の直線偏光成分を透過する。検光子２６０は、偏光子２２０とクロスニコルの関係を満たすように構成されている。

ＰＤ２７０は、検光子２６０の出力側に設けられており、検光子２６０が出力するレーザ光を光電変換して、レーザ光の強度に応じた大きさの電流を出力する。ＰＤ２７０が出力する電流は、ロックインアンプ２８０に入力される。

ロックインアンプ２８０は、変調電圧源１６０が出力する正弦波電圧に同期してＰＤ２７０が出力する電流を検出する。ロックインアンプ２８０は、制御部２９０によって制御され、検出した電流値を表すデータは、制御部２９０に入力される。ロックインアンプ２８０は、出力検出部の一例である。

制御部２９０は、変調電圧源１６０とロックインアンプ２８０の制御を行う。より具体的には、制御部２９０は、変調電圧源１６０が出力する電圧値を制御するとともに、ロックインアンプ２８０にＰＤ２７０が出力する電流を取り込む制御を行う。また、制御部２９０は、初期位相と電気光学定数の演算を行う。制御部２９０は、変調電圧源１６０が出力する電圧値の振幅値に対するＰＤ２７０が出力する電流の振幅値の特性を表すデータを生成し、この特性の傾きから電気光学定数を演算する。制御部２９０のうち、変調電圧源１６０が出力する電圧値を制御する部分は、電圧制御部の一例である。また、制御部２９０のうち、初期位相と電気光学定数の演算を行う部分は、演算部の一例である。

次に、性能指数の求め方について説明する。マルチ光導波路への入射光における光の電界ベクトルＥは、次式（４）で表すことができる。ここで、Ｅ_０は電界ベクトルＥの初期値、Ｋは伝搬ベクトルであり、２π／λ（λはレーザ光の波長）は波数のスカラー、ベクトルｐは位置ベクトルである。

ここで、Ｙ軸方向に伝搬する光を考え、光の進行方向をY軸の負から正の方向にとると、K・ｐ＝ωNｙ/ｃとなる。Nは複素屈折率であって、屈折率ｎと消光係数κを用いて、N＝ｎ+iκと表す。

その際、図２及び図３に示すような偏光子２２０を用いて、Ｚ軸から４５°傾いた方向に直線偏光された光が光ファイバ２３０を通して光偏向素子１００の光フェーズドアレイを構築する導波路１３０Ａに入射する。入射した光は、導波路１３０Ａの中を伝搬し、分岐部１３０Ｂ（MMI）を経て、分岐導波路１３１〜１３８の位相シフタ（電極１５１〜１５８がある部分）を通過する。分岐導波路１３１〜１３８のうちの性能指数の検出対象となる１つの出射端で、光ファイバ２４０を通り、リターダ２５０を経る。光偏向素子１００の出射光は楕円偏光になるが、入射方向と偏波成分を直交させた検光子２６０を通過し、ＰＤ２７０で光強度（電流値Ｉ）に変換される。ここで、位相シフタに電圧を印加しないときに光偏向素子１００から出射される光のもつ静的位相差をΔφ、光偏向素子１００の位相シフタによる電圧を印加することで生じた位相の変化量（動的位相差）をΔθとすると、ＰＤ２７０が出力する光強度（電流値Ｉ）は次式（５）で表される。

なお、静的位相差Δφとは、電極１５１〜１５８に電圧を印加しない場合に、偏光子２２０を用いてＺ方向と４５°の角度をなす直線偏光を光偏向素子１００に入射させた場合に、光偏向素子１００とリターダ２５０によって生じた出射光に生じたＸ偏光とＺ偏光の相対的な位相差である。このため、静的位相差Δφは、リターダ２５０（バビネソレイユ板）による補償によって光に付与される位相差Δφ_rを含む。また、動的位相差Δθとは、電極１５１〜１５８のうち、性能指数の検出対象となる分岐導波路（１３１〜１３８のうちの１つ）に対応する１つの電極に電圧を印加する場合に、光偏向素子１００において電気光学効果（ＥＯ効果）によって生じた出射光に生じたＸ偏光とＺ偏光の相対的な位相差である。この位相差は、分岐導波路１３１〜１３８のいずれを通るかで異なる。

また、式（５）において、Ｉ_０は、偏光子２３０、光偏向素子１００、リターダ２５０、検光子２６０の全ての素子を透過した光の強度が最大値となるように、偏光子２３０と検光子２６０の角度を調整し、光出力を最大とするときのＰＤ２７０を流れる電流値である。また、Δφ₀は、静的位相差Δφからリターダ２５０による補償によって光に付与される位相差Δφ_rを引いた位相差（初期位相）である。すなわち、位相差Δφ₀は、電極１５１〜１５８に電圧を印加しない場合に、偏光子２２０を用いてＺ方向と４５°の角度をなす直線偏光を電極１５１〜１５８に電圧を印加しない場合に、光偏向素子１００の出射光とに生じるＸ偏光とＺ偏光の相対的な位相差である。この位相差は、分岐導波路１３１〜１３８のいずれを通るかで異なる。また、式（５）から分かるように、ＰＤの出力は、Ｘ偏光とＺ偏光の位相差の半分の角度だけ偏光面が回転した直線偏光の成分を検出していることになる。

ここで、ＥＯポリマーを使った光偏向素子１００の位相シフタの電気光学定数ｒ_１３とｒ_３３を用いた変調を行う場合には、動的位相差Δθは、次式（６）で表すことができる。

ここで、ｎ_０は常光に対する屈折率、ｎ_ｅは異常光に対する屈折率、ｄは上部電極１５０と下部電極１１０との間で特にEOポリマーの厚みに相当する等価距離、Ｖは電極（１５１〜１５８）において、位相シフタに印加する電圧のうち、特にEOポリマーに印加される電圧である。ここで、式（５）および（６）中の（V/d）はEOポリマーに印加される電界強度を表しているので、EOポリマーを含むポリマー材料からなるクラッド/コア/クアッド構造の場合には、比抵抗がクラッドとコアとでが同等と見なせるため、等価距離ｄを上部電極１５０と下部電極間１１０の間の距離とし、電圧Vを電極（１５１〜１５８）に印加する電圧とすることができる。さらに、式（５）および（６）中ｒ_３３とｒ_１３は、電気光学定数である。ここで、ｎ_０＝ｎ_ｅ＝ｎ、及び、ｒ_３３＝３ｒ_１３が成立することとすると、動的位相差Δθは、次式（７）で表すことができる。

ただし、lは、位相シフタの電極（１５１〜１５８）の分岐導波路（１３１〜１３８）に沿った（Ｙ軸方向の）長さ、ｄは、上部電極１５０と下部電極１１０との間の等価距離、λは、光偏向素子１００に使用するレーザ光の波長である。

ここで、式（５）において次式（８）の関係が成り立つようにリターダ２５０の補償量を調整して、光学バイアスを印加する。光学バイアスとは、位相シフタに電圧を印加しない状態において光偏向素子１００に生じた位相差Δφ₀と、リターダ２５０による補償によって光に付与される位相差Δφ_rとの和である。

式（８）が成立するようにするには、位相シフタに電圧を印加しない状態はΔθ＝０にできるため、リターダ２５０（バビネソレイユ板）の位相の補償量を調整し（実際は、バビネソレイユ板の位相調整つまみを回転させ）、リターダ２５０の出力が０（ゼロ）になる位置（Δφ₀＋Δφ_ｒ＝0になる位置）と、さらに次に出力が０（ゼロ）になる位置（Δφ₀＋Δφ_ｒ＝2πになる位置）とを計測する。そして、これら２つの位置の中間位置にリターダ２５０の位相調整つまみを調整すれば、リターダ２５０の最大出力が得られる位置（Δφ₀＋Δφ_ｒ＝πが成立する位置）を求めることができる。さらに、出力が０（ゼロ）になる位置と、最大出力が得られる位置との中間位置にリターダ２５０の位相調整つまみを調整すれば、式（８）が成立するようにリターダ２５０を調整することができる。

また、式（８）が成立する際には、次式（９）が成り立つため、式（１０）の近似式が成り立つ。

また、光偏向素子１００の位相シフタの変調電圧Ｖは、次式（１１）で表すことができる。変調電圧Ｖは正弦波状の交流電圧であり、V_mは変調電圧Ｖの最大振幅値である。変調電圧Ｖは、電極１５１〜１５８のうち、性能指数の検出対象となる分岐導波路（１３１〜１３８のうちの１つ）に対応する１つの電極に個別に印加する電圧である。

変調電圧Ｖとして用いる正弦波電圧の角速度をωとすると、式（５）、（７）、（１０）、（１１）から、ＰＤ２７０の出力する電流値Iの振幅値Ｉ_ｍは、次式（１２）で与えられる。

また、光偏向素子１００の出射光に生じた位相差Δφ_０と、リターダ２５０による補償によって光に付与された位相差Δφ_ｒとが、Δφ_０＋Δφ_ｒ＝πを満たすようにリターダ２５０（バビネソレイユ）の補償量を設定しているので、電極（１５１〜１５８）から位相シフタに電圧を印加しなければ、Δθ＝０となるため、式（５）から電流値Ｉ_０を求めることができる。

また、また式（１２）において、変調電圧Ｖの振幅値Ｖ_ｍを様々な値に変えたときのＰＤ２７０が出力する電流値Ｉの振幅値Ｉ_ｍの傾きから電気光学定数ｒ_３３を求めることができる。これについては、図５を用いて後述する。

また、光偏向素子１００の出射光に生じた位相差Δφ₀と、リターダ２５０による補償によって光に付与された位相差Δφ_rと、Δφ₀＋Δφ_ｒ＝0となるようにリターダ２５０の補償量を調整したときのリターダ２５０の補償量とから、分岐導波路１３１〜１３８の各出射端に生じる位相差を個別に算出することができる。

図５は、変調電圧Ｖの振幅値Ｖ_ｍを様々な値に変えたときの振幅値Ｉ_ｍの特性を示す図である。図５には、電気光学定数ｒ_３３が異なる４つの光偏向素子において、振幅値Ｖ_ｍを変えることによって得たＶ_ｍ−Ｉ_ｍ特性を示す。図５に示すように、電気光学定数ｒ_３３は、Ｖ_ｍ−Ｉ_ｍ特性の傾きから、１０ｐｍ／Ｖ、２５ｐｍ／Ｖ、４８ｐｍ／Ｖ、７８ｐｍ／Ｖと求まる。このように、変調電圧Ｖの振幅値Ｖ_ｍを様々な値に変えることによって得るＶ_ｍ−Ｉ_ｍ特性の傾きから、電気光学定数ｒ_３３を求めることができる。

ここで、制御部２９０がロックインアンプ２８０で検出される電流値を表すデータを式（５）に代入し、式（６）〜式（１２）を用いて演算を行い、さらに、変調電圧Ｖの振幅値Ｖ_ｍを様々な値に変えたときの振幅値Ｉ_ｍの傾きを求めれば、制御部２９０が電気光学定数ｒ_３３を求めることができる。

このようにして求める電気光学定数は、光偏向素子１００の光入射端１３０Ａ１と、分岐導波路１３１〜１３８の各々とに、それぞれ、光ファイバ２３０と光ファイバ２４０とをニアフィールドで光学的に結合させて得る位相差Δφ₀及び静的位相差Δφと、リターダ２５０の位相差Δφ_rとを用いて演算される。光ファイバ２４０を分岐導波路１３１〜１３８の各々の出射端に光学的に結合させる際には、調芯装置を用いて光ファイバ２４０のレンズ部２４１が分岐導波路１３１〜１３８の各々の出射端に光学的に結合するように位置決めを行えばよい。

従って、高感度で高精度に電気光学定数を計測することが可能になる。このため、実施の形態によれば、マルチ光導波路を用いた光フェーズドアレイを有する光偏向素子１００における各光導波路の初期位相と電気光学定数を直接的に測定できる光偏向素子の性能評価装置２００を提供することができる。

光フェーズドアレイの偏向制御や収束を満足する駆動を実現するためには、光フェーズドアレイが形成する光ビームの位相整合条件を満足させる必要がある。その際、各チャンネルの初期位相および電気光学定数の検出は、整合条件を満たす駆動を実現するために不可欠となる。

従来、光フェーズドアレイの初期位相と電気光学定数の測定については、光フェーズドアレイからの複数のチャンネルからの出力の光干渉パターンの形状からから測定していた。この方法では、光干渉パターンが複数のチャンネルの出力の干渉によって形成されているため、干渉パターンから各チャンネルの初期位相と電気光学定数を逆算する必要がある。

その際、算出過程で（途中で）の予測された干渉パターンと実際に測定された干渉パターン（合成ビーム）実測値とが、誤差範囲に収まるまで（整合性が取れるまで）何回も測定のフィードバックを繰り返す必要があった。この従来の手法は、電気光学定数や初期位相を間接的に予測手法であるため、光フェーズドアレイのチャンネル数が増えると激増してしまうという欠点があった。

これに対して、実施の形態の光偏向素子の性能評価装置２００では、初期位相と電気光学定数をチャンネルごとに個別に計測する。このため、各チャンネルの初期位相と電気光学定数の検出方法としては、各チャンネルの位相変化量を直接計測することができるために、迅速な測定が可能となる。

また、チャンネル毎の出力光を偏波保持の先球ファイバ（光ファイバ２３０、２４０）を用いることによって電界による位相の変化量をチャンネル毎に直接測定ことができる。これにより従来法に比べて測定時間が減少するとともに、この測定をロックイン検出（同期検出）で行うことで、測定精度を向上させることができる。

なお、クラッド層１２０、コア層１３０、クラッド層１４０としてＥＯポリマー以外に無機ＥＯ材料LiNbO₃等を用いることが可能である。このような無機ＥＯ材料については、結晶の対称性に応じて式（６）に示す動的位相差Δθの定義を変えれば、同様に電気光学定数を計測することができる。

例えば、立方晶系結晶（対称性：23、4バー3ｍ）や熱電効果等の等方性材料では、動的位相差Δθを次式（１３）のように定義すればよい。

また、一軸性性結晶（対称性：3ｍ）でr₂₂=-r₁₂の関係を有する結晶では、動的位相差Δθを次式（１４）のように定義すればよい。

このように、位相差を生じる材料の対称性を考慮して、適宜動的位相差Δθの定義を変えることで、熱電光学材料や無機結晶材料についても適用することが可能となる。

また、図２及び図３に示す光偏向素子の性能評価装置２００は、図６に示すように変形してもよい。図６は、実施の形態の変形例による光偏向素子の性能評価装置２００Ａを示す図である。光偏向素子の性能評価装置２００Ａは、図２及び図３に示す光偏向素子の性能評価装置２００に対して、光チョッパ２９５と光チョッパコントローラ２９５Ａを追加した構成を有する。

光チョッパ２９５は、レーザ光源２１０と偏光子２２０との間に設けられており、光チョッパコントローラ２９５Ａによって制御される。光チョッパコントローラ２９５Ａは、ロックインアンプ２８０がＰＤ２７０から入力される電流値に基づいて同期動作（ロックイン動作）を行うと、光チョッパ２９５にレーザ光源２１０から出射されるレーザ光を通過させる。光チョッパコントローラ２９５Ａは、位相シフタの変調周波数で同期動作を行って、レーザ光源２１０から出射されるレーザ光を通過させる。

このような光チョッパ２９５を用いると、ＰＤ２７０で検出される電流値のＳＮ比が改善されるので、測定精度をさらに向上させることができる。

以上、本発明の例示的な実施の形態の光偏向素子の性能評価装置について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

１００光偏向素子
１１０下部電極
１２０クラッド層
１３０コア層
１３０Ａ導波路
１３０Ａ１光入射端
１３０Ｂ分岐部
１３１〜１３８分岐導波路
１４０クラッド層
１５０上部電極
１５１〜１５８電極
１６０変調電圧源
１７０Ａ、１７０Ｂスイッチ
２００、２００Ａ光偏向素子の性能評価装置
２１０レーザ光源
２２０偏光子
２３０光ファイバ
２３１レンズ部
２３２入射端
２４０光ファイバ
２４１レンズ部
２４２出射端
２５０リターダ
２６０検光子
２７０ＰＤ
２８０ロックインアンプ
２９０制御部
２９５光チョッパ
２９５Ａ光チョッパコントローラ

Claims

レーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されるレーザ光を偏光する偏光子と、
前記偏光子の光出射端に接続される第１光入射端と、電気光学効果で入射光を偏向するマルチ光導波路を用いた光偏向素子の光導波路の光入射端にニアフィールドで光学的に結合される第１光出射端とを有する第１光ファイバと、
前記光偏向素子の光出射端にニアフィールドで光学的に結合される第２光入射端と、前記第２光入射端から入射されるレーザ光を出射する第２出射端とを有する第２光ファイバと、
前記第２光ファイバの前記第２出射端から出射されるレーザ光が入射され、前記光導波路で付与された位相差を相殺する波長板と、
前記偏光子とクロスニコルの関係を満たすように前記波長板の出力側に配置される検光子と、
前記検光子から出射されるレーザ光を検出する光検出部と、
前記光検出部によって検出されるレーザ光の出力を検出する出力検出部と、
前記光偏向素子の光導波路に印加する位相変調用の電圧を制御する電圧制御部と、
前記波長板から出射されるレーザ光の位相と、前記波長板がレーザ光に付与する位相差とから、前記位相変調用の電圧の印加による前記光導波路におけるレーザ光の位相の変化量を検出する演算部と
を含む、光偏向素子の性能評価装置。
前記演算部は、前記位相変調用の電圧に対する前記レーザ光の出力の特性の傾きから電気光学定数を導出する、請求項１記載の光偏向素子の性能評価装置。
前記出力検出部は、前記レーザ光源から出射されるレーザ光に同期して、前記レーザ光の出力を検出する、請求項１又は２記載の光偏向素子の性能評価装置。
前記レーザ光源と前記偏光子との間に設けられ、前記出力検出部によって検出されるレーザ光の出力に同期して動作する光チョッパをさらに含む、請求項１乃至３のいずれか一項記載の光偏向素子の性能評価装置。