特表 2024-524593 ビーム制御器及びビーム制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-07-05

(54)【発明の名称】ビーム制御器及びビーム制御方法

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/295 20060101AFI20240628BHJP

【ＦＩ】

G02F1/295

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024500584

(86)(22)【出願日】2022-05-16

(85)【翻訳文提出日】2024-01-04

(86)【国際出願番号】 CN2022093063

(87)【国際公開番号】W WO2023284399

(87)【国際公開日】2023-01-19

(31)【優先権主張番号】202110801155.5

(32)【優先日】2021-07-15

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】524007778

【氏名又は名称】無錫馭風智研科技有限公司

【氏名又は名称原語表記】Ｗｉｎｄｓｕｒｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ （Ｗｕｘｉ） Ｌｔｄ．

(74)【代理人】

【識別番号】100204490

【弁理士】

【氏名又は名称】三上 葉子

(72)【発明者】

【氏名】鄭 學哲

(72)【発明者】

【氏名】李 晨蕾

【テーマコード（参考）】

2K102

【Ｆターム（参考）】

2K102AA21

2K102AA28

2K102BA09

2K102BB04

2K102BC04

2K102BC10

2K102BD09

2K102CA13

2K102DC08

2K102EA02

2K102EA05

2K102EB01

(57)【要約】

本発明は光フェーズドアレイベースのビーム制御器に関する。ビーム制御器は光フェーズドアレイ、自由空間収束領域及び共有光格子エミッタを含む。光フェーズドアレイは、ビームスプリッタと、ビームスプリッタに結合されたウェーブガイドアレイを含む。ビームスプリッタは初期ビームを複数のサブビームに等分するように構成される。ウェーブガイドアレイはサブビームに１対１に対応して配置された複数のウェーブガイドを含む。ウェーブガイドはサブビームを送受信するように構成される。複数のウェーブガイドの送信テール部分は扇形を呈して自由空間収束領域に集中する。自由空間収束領域は複数のサブビームを像面上に合成するように構成される。共有光格子エミッタは複数のサブビームを像面上に結合した合成ビームを回折して射出するように構成される。前記ビーム制御器は、合成ビームを制御して、大きな角度での射出を実現すると同時に高い走査出力効率を有するように制御できる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光フェーズドアレイ、自由空間収束領域、及び共有光格子エミッタを含み、前記光フェーズドアレイが、ビームスプリッタ及び前記ビームスプリッタに結合されたウェーブガイドアレイを含み、
前記ビームスプリッタは、初期ビームを複数のサブビームに等分するように構成され、
前記ウェーブガイドアレイは、前記サブビームと１対１に対応して配置される複数のウェーブガイドを含み、前記ウェーブガイドは、前記サブビームを送受信するように構成され、
複数の前記ウェーブガイドの送信テール部分は、扇形を呈して前記自由空間収束領域に集中し、前記自由空間収束領域は、複数の前記サブビームを像面に合成させるように構成され、
共有光格子エミッタは、複数の前記サブビームを前記像面に合成する合成ビームを回折して発射するように構成されることを特徴とするビーム制御器。

【請求項2】

前記像面の基準面上の正投影形状は、曲率半径Ｒの円弧線を含み、
前記自由空間収束領域の前記基準面上の正投影形状は、半径２Ｒのローランド円を含み、前記ローランド円の中心は前記円弧線上に位置することを特徴とする請求項１に記載のビーム制御器。

【請求項3】

隣接する２つの前記ウェーブガイドの出力端の間の距離は、前記初期ビームの波長よりも短いことを特徴とする請求項１に記載のビーム制御器。

【請求項4】

各隣接する２つの前記ウェーブガイドの出力端の間の距離が等しいことを特徴とする請求項３に記載のビーム制御器。

【請求項5】

隣接する２つの前記ウェーブガイドの送信距離の差と前記ウェーブガイドの群屈折率との積が、前記初期ビームの波長の整数倍であることを特徴とする請求項１に記載のビーム制御器。

【請求項6】

前記ビームスプリッタは、スターカプラを含み、前記ウェーブガイドは、順に接続された送信ヘッド部分、送信中間部分及び送信テール部分を含み、
複数の前記ウェーブガイドの送信ヘッド部分は、扇形を呈して前記スターカプラに集中し、
複数の前記ウェーブガイドの送信中間部分は、平行に配置され、隣接する２つの前記送信中間部分の間の距離は、第１閾値よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のビーム制御器。

【請求項7】

前記ビームスプリッタは、カスケード接続された複数の１×２ウェーブガイドビームスプリッタを含み、
前記ウェーブガイドは、順次接続された送信ヘッド部分と送信テール部分を含み、複数の前記ウェーブガイドの送信ヘッド部分は、平行に配置され、隣接する２つの送信ヘッド部分の間の距離は、第２閾値よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のビーム制御器。

【請求項8】

前記ウェーブガイドアレイは、各前記ウェーブガイド上に統合された可制御移相器をさらに備え、前記可制御移相器は、前記サブビームの位相を制御するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のビーム制御器。

【請求項9】

前記可制御移相器は、各前記ウェーブガイド上に設置された金属加熱層を含むか、
又は、前記ウェーブガイドは、ドープウェーブガイドであり、前記可制御移相器は、前記ドープウェーブガイドに接続された金属電極を含むことを特徴とする請求項８に記載のビーム制御器。

【請求項10】

前記ウェーブガイドアレイは、各前記ウェーブガイドに統合された可変光減衰器をさらに備え、前記可変光減衰器は、前記ウェーブガイドの送信パワーを調整するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のビーム制御器。

【請求項11】

ビームスプリッタが初期ビームを複数のサブビームに等分し、１つの前記サブビームを１つのウェーブガイドに送信する工程と、
複数の前記ウェーブガイドがそれぞれ対応する前記サブビームを自由空間収束領域に送信する工程と、
複数の前記サブビームを前記自由空間収束領域内で像面上に合成する工程と、
共有光格子エミッタが複数の前記サブビームを前記像面上に合成した合成ビームを回折して射出する工程と、
を含むことを特徴とするビーム制御方法。

【請求項12】

前記ビーム制御方法は、
前記初期ビームの波長を調整し、前記合成ビームの走査角が第１方向に沿って変化させる工程と、
前記サブビームの位相を調整し、前記合成ビームの走査角を第２方向に沿って変化させる工程と、
をさらに含み、
前記第１方向は、前記第２方向と直交することを特徴とする請求項１１に記載のビーム制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光通信技術分野に関し、特にビーム制御器及びビーム制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ビーム制御は、レーザーレーダ、自由空間光通信などの分野における重要な技術の１つであり、ホログラフィックディスプレイ、生物学的イメージングなどの分野にも応用できる。現在、シリコンベースのフォトニクス技術の発展に伴って、ビーム制御は光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）を使用して実現されており、小型、高速及び軽量等の利点を有することができる。

【0003】

例えば、光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）は、スターカプラ又はビームスプリッタと、スターカプラ又はビームスプリッタに結合されたウェーブガイドアレイとを含む。ウェーブガイドアレイは、平行且つ一列に配置されたＮ個のウェーブガイドで構成され、各ウェーブガイドは、可制御移相器と統合され、各ウェーブガイドは、更に２次線形光格子に結合される。複数の２次線形光格子が等間隔で配置されて、レーザー出力デバイスとして機能する１次元光アンテナアレイを構成する。

【0004】

但し、光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）は、通常、ミクロンスケールの波長範囲で動作する。２次線形格子によって射出されるビームの発散角をできるだけ小さくするために、通常、弱い光格子を使用して、比較的長い距離において、ウェーブガイドが伝送するビームをウェーブガイド表面に対して垂直に射出する必要がある。弱い光格子のサイズが大きいため、ビーム走査中に光格子のサイドローブが発生しないことを保証することを前提として、隣接する２次線形光格子の間の距離は比較的小さく、対応する平行に配置されたウェーブガイドの間で結合クロストークが発生し易くなる。また、ウェーブガイドの送信距離が長くなるほど、発生するクロストークは大きくなる。これにより、射出角度の減少、走査出力効率の低下など、光フェーズドアレイの光学性能に大きな影響を与える。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

これに基づいて、本発明の実施形態は、大きな角度の射出を実現すると同時に高い走査出力効率を有するように合成ビームを制御できるビーム制御器及びビーム制御方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記の目的を達成するために、一方で、本発明の実施形態は、ビーム制御器を提供する。前記ビーム制御器は、光フェーズドアレイ、自由空間収束領域、及び共有光格子エミッタを含む。光フェーズドアレイは、ビームスプリッタ及びビームスプリッタに結合されたウェーブガイドアレイを含む。ビームスプリッタは、初期ビームを複数のサブビームに等分するように構成される。ウェーブガイドアレイは、サブビームと１対１に対応して配置された複数のウェーブガイドを含む。前記ウェーブガイドは、サブビームを送受信するように構成される。複数のウェーブガイドの送信テール部分は、扇形を呈して自由空間収束領域に集中している。自由空間収束領域は、複数のサブビームを像面上に合成させるように構成される。共有光格子エミッタは、複数のサブビームを像面上に合成した合成ビームを回折して発射するように構成される。

【発明の効果】

【0007】

本発明の実施形態では、複数のサブビームの合成、及び合成ビームの射出が分けて独立して行われ、即ち、サブビームの合成は、自由空間収束領域内のフリーフォーカスによって完了され、対応する合成ビームの射出は、共有光格子エミッタの回折によって完了される。このようにして、共有光格子エミッタの構造は、合成ビームの射出要件のみについて設計すればよく、サブビーム合成の要求によって制限される必要がなく、即ち、複数のサブビームを合成ビームに集束させる機能と、合成ビームを回折して射出する機能を同時に兼ね備える必要がない。これにより、共有光格子エミッタは、より大きなビーム射出角度を有することができる。

【0008】

さらに、複数のウェーブガイドの送信テール部分は、扇形を呈して自由空間収束領域に集中し、ウェーブガイド内の主送信部分の送信効果に影響を与えることがない基礎に、ウェーブガイド送信テール部分の間の距離を徐々に減らすことができ、例えば、隣接する２つのウェーブガイドの出力端の間の距離は、初期ビームの波長よりも小さいか、初期ビームの波長の２分の１よりも小さくなる。ここで、ウェーブガイドの出力端は、即ち、送信テール部分と自由空間光合成領域との境界の端部である。これにより、複数のサブビームを集束させた後の合成ビームにおける光格子サイドローブの発生を効果的に抑制して、ビーム制御器の走査出力効率を確保又は向上させることができる。

【0009】

まとめると、本発明の実施形態が提供するビーム制御器は、合成ビームが大角度射出を実現すると同時に、高い走査出力効率を有するように制御することができる。

【0010】

一部の実施形態において、像面の基準面上の正投影形状は、曲率半径Ｒの円弧線を含む。自由空間収束領域の基準面上の正投影形状は、曲率半径２Ｒのローランド円を含み、ローランド円の中心は前記円弧線上に位置する。

【0011】

一部の実施形態において、隣接する２つのウェーブガイドの出力端の間の距離は、初期ビームの波長よりも短い。選択的に、各隣接する２つのウェーブガイドの出力端の間の距離が等しい。このように、ウェーブガイドアレイ中の複数のウェーブガイドに同じ出力距離をもたせることで、２つのウェーブガイドの間の送信距離の差値について容易に設計及び制御を行うことができる。

【0012】

一部の実施形態において、隣接する２つのウェーブガイドの送信距離の差とウェーブガイドの群屈折率との積が、初期ビームの波長の整数倍である。このように、複数のウェーブガイドが送信する複数のサブビームは、自由空間収束領域内で空間回折重ね合わせを容易に行い、焦点を合わせて合成ビームを像面に形成する。

【0013】

別の一部の実施形態において、ビームスプリッタは、カスケード接続された複数の１×２ウェーブガイドビームスプリッタを含む。ウェーブガイドは、順次接続された送信ヘッド部分と送信テール部分を含む。複数のウェーブガイドの送信ヘッド部分は、平行に配置され、隣接する２つの送信ヘッド部分の間の距離は、第２閾値よりも大きい。

【0014】

前記第１閾値及び第２閾値は、実際の必要に応じて選択して設定することができ、隣接する２つのウェーブガイドが平行に設置された送信部分の距離が、サブビームの送信に対して結合クロストークを生じないように制限される。

【0015】

一部の実施形態において、ウェーブガイドアレイは、各ウェーブガイド上に統合された可制御移相器をさらに備える。可制御移相器は、サブビームの位相を制御するように構成される。

【0016】

選択的に、可制御移相器は、各ウェーブガイド上に設置された金属加熱層を含む。

【0017】

選択的に、ウェーブガイドは、ドープウェーブガイドであり、可制御移相器は、ドープウェーブガイドに接続された金属電極を含む。

【0018】

一部の実施形態において、ウェーブガイドアレイは、各ウェーブガイドに統合された可変光減衰器をさらに備える。可変光減衰器は、ウェーブガイドの送信パワーを調整するように構成される。これにより、可変光減衰器を利用してサブビームの強度を制御し、任意の形式のビーム合成を実現することができる。

【0019】

一部の実施形態において、本発明の一部の実施形態は、上記一部の実施形態のビーム制御器に応用するビーム制御方法を提供している。前記ビーム制御方法が含む工程は、以下のとおりである。
ビームスプリッタが初期ビームを複数のサブビームに等分し、１つのサブビームを１つのウェーブガイドに送信する。
複数のウェーブガイドがそれぞれ対応するサブビームを自由空間収束領域に送信する。
複数のサブビームを自由空間収束領域内で像面上に合成する。
共有光格子エミッタが複数のサブビームを像面上に合成した合成ビームを回折して射出する。

【0020】

一部の実施形態において、前記ビーム制御方法は、以下の工程を更に含む。
初期ビームの波長を調整し、合成ビームの走査角が第１方向に沿って変化させる。サブビームの位相を調整し、合成ビームの走査角を第２方向に沿って変化させる。ここで、第１方向は、第２方向と直交する。

【0021】

本発明の実施形態が提供するビーム制御方法は、前記一部の実施形態のビーム制御器に適用される。前記ビーム制御器が実現できる技術効果は、前記ビーム制御方法によっても実現することができ、ここでは詳細に説明しない。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】一実施形態が提供するビーム制御器の平面説明図である。

【図2】一実施形態が提供する別のビーム制御器の平面説明図である。

【図3】一実施形態が提供する自由空間収束領域の構造説明図である。

【図4】一実施形態が提供する共有光格子エミッタの構造説明図である。

【図5】一実施形態が提供するウェーブガイドアレイの構造説明図である。

【図6】一実施形態が提供する初期ビームの合成光路と射出光路の説明図である。

【図7】一実施形態が提供する別の初期ビームの合成光路と射出光路の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

本発明を理解し易くするため、以下では、関連図面を参照して本発明に対してより全面的に説明する。図面において、本発明の実施形態を挙げている。但し、本発明は、多くの異なる形式で実現することができ、本文に記載する実施形態に限定するものではない。反対に、これら実施形態を提供する目的は、本発明の開示内容をより詳細に全面的にすることである。

【0024】

別途定義していない限り、本明細書で使用されるすべての技術用語及び科学用語は、当業者によって一般に理解されるものと同じ意味を有する。本明細書における本発明の説明で使用される用語は、具体的な実施形態を説明することを目的とするのみであり、本発明を限定することを意図するものではない。

【0025】

なお、要素又は層が別の要素又は層の「上にある」、「に隣接する」、「に接続される」又は「に結合される」と称される場合、それは直接的に他の要素又は層の上にある、隣接する、接続される又は結合されていよく、又は、中間の要素又は層が存在していてもよい。これに対し、要素が他の要素又は層に「直接上にある」「に直接隣接する」、「に直接接続される」又は「に直接結合される」と称される場合は、中間の要素又は層が存在しない。

【0026】

なお、第１、第２、第３などの用語を用いて各種要素、部材、領域、層及び／又は部分を説明することができるが、これらの要素、部材、領域、層及び／又は部分は、これらの用語によって制限されるべきではない。これらの用語は、１つの要素、部材、領域、層又は部分と別の要素、部材、領域、層又は部分とを区別するものに過ぎない。したがって、本発明の教示を逸脱しない場合、以下で説明する第１要素、部材、領域、層又は部分は、第２要素、部材、領域、層又は部分と表してもよいものである。

【0027】

例えば「～下」、「～下面」、「下面の」、「～の下」、「～の上」、「上面の」などの空間関係用語は、ここでは、図面に示される１つの要素又は特徴と他の要素又は特徴との関係を説明するために使用され得る。なお、図に示されている向き以外に、空間関係用語は、使用及び操作中のデバイスの異なる向きも含む。例えば、図中のデバイスが反転する場合、「他の要素の下面」又は「その下」として記載された要素又は特徴は、他の要素又は特徴の「上」に向けられることになる。したがって、例示的な用語「～の下面」及び「～下」は、上と下の２つの向きを含み得る。また、デバイスは、別の向き（例えば、９０度回転又は他の向き）であってもよく、ここで使用される空間用語は、それに応じて解釈される。

【0028】

使用される場合、単数形の「一」、「１つ」及び「前記／当該」は、文脈上明らかに別段の指示がない限り、複数形も同様に含むことができる。また、「備える／含む」又は「有する」などの用語は、記載された特徴、全体、ステップ、動作、構成要素、部分、又はそれらの組み合わせの存在を指定するが、１つ又は複数の他の特徴、全体、ステップ、動作、構成要素、部分又はそれらの組み合わせの存在又は添加を排除するものではない。同時に、本明細書において、「及び／又は」という用語は、関連する列挙された項目の任意の及びすべての組み合わせを含む。

【0029】

ここで、本発明の好適実施形態（及び中間構造）の説明図としての項断面図を参照し、本発明の実施形態を説明するが、例えば製造技術及び／又は公差によって示される形状の変化は、予期し得るものである。したがって、本発明の実施形態は、ここで示す領域の特定形状に限定するものではなく、例えば製造技術による形状の偏差を含むものである。図示される領域は、実質的に説明用であり、それらの形状は、デバイスの領域の実際の形状を示すものではなく、本発明の範囲を限定するものではない。

【0030】

図１及び図２を参照し、本発明の一部の実施形態は、光フェーズドアレイベースのビーム制御器１００を提供する。ビーム制御器１００は、光フェーズドアレイ１、自由空間収束領域２、及び共有光格子エミッタ３を含む。光フェーズドアレイ１は、ビームスプリッタ１１と、ビームスプリッタ１１に結合されたウェーブガイドアレイ１２とを含む。ビームスプリッタ１１は、初期ビームを複数のサブビームに等分するように構成される。ウェーブガイドアレイ１２は、サブビームに１対１に対応して配置された複数のウェーブガイド１２０を含む。ウェーブガイド１２０は、サブビームを送受信するように構成される。複数のウェーブガイド１２０の送信テール部分は、扇形を呈して自由空間光合成領域２に集中する。自由空間収束領域２は、像面Ｓ_０上に複数のサブビームを合成するように構成される。共有光格子エミッタ３は、複数のサブビームが像面Ｓ_０上に合成した合成ビームを回折して発射するように構成される。

【0031】

ビームスプリッタ１１は、スターカプラであってよく、又は複数の１×２ウェーブガイドビームスプリッタがカスケード接続されて構成されてもよい。ビームスプリッタ１１は、初期ビームを複数のサブビームに等分するように構成され、少なくとも１つの入力端及び複数の出力端を有する。ビームスプリッタ１１の入力端は、光源に結合され、ビームスプリッタ１１の一方の出力端は、１つのサブビームを対応して出力する。

【0032】

選択的に、光源は、レーザチップであり、光源によって放射される光ビームは、波長が９５０～１５５０ｎｍの間である近赤外光ビームである。光源からビームスプリッタ１１に送信される光ビームは、初期ビームであり、初期ビームの波長は、光源によって調整可能である。

【0033】

ウェーブガイドアレイ１２内のウェーブガイド１２０の数は、ビームスプリッタ１１の出力端の数に対応し、例えば、両者は同じである。ウェーブガイド１２０は、平面光ウェーブガイドである。ビームスプリッタ１１及びウェーブガイドアレイ１２は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、ガラス、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、ＩＩＩ－Ｖ族半導体化合物、シリコン・オン・インシュレータ（Silicon-on-Insulator，ＳＯＩ／ＳＩＭＯＸ）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）、高分子ポリマー（Polymer）などの材料から作製することができる。

【0034】

ビームスプリッタ１１の構造の違いに応じて、ウェーブガイド１２０の構造も異なる。

【0035】

一部の例では、図１に示すように、ビームスプリッタ１１は、スターカプラであり、ビームスプリッタ１１の複数の出力端が円周に沿って分布している。ウェーブガイド１２０は、順に接続された送信ヘッド部分１２１０、送信中間部分１２１５及び送信テール部分１２２０を含む。複数のウェーブガイド１２０の送信ヘッド部分１２１０は、扇形を呈してスターカプラに集中し、１つのウェーブガイド１２０の送信ヘッド部分１２１０は、スターカプラの１つの出力端に対応して接続される。複数のウェーブガイド１２０の送信中間部分１２１５は、平行に配置され、隣接する２つの送信中間部分１２１５の間の距離Ｄ１は、第１閾値よりも大きい。複数のウェーブガイド１２０の送信テール部分は、扇形を呈して自由空間光合成領域２に集中する。

【0036】

別の例では、図２に示すように、ビームスプリッタ１１は、複数の１×２ウェーブガイド型ビームスプリッタ１１１をカスケード接続して構成され、ビームスプリッタ１１の複数の出力端が平行に配置される。ウェーブガイド１２０は、順に接続された送信ヘッド部分１２１０と送信テール部分１２２０とを含む。複数のウェーブガイド１２０の送信ヘッド部分１２１０は、平行に配置され、且つ隣接する２つの送信ヘッド部分１２１０間の距離Ｄ２は、第２閾値よりも大きい。

【0037】

ここで、ウェーブガイド１２０の送信距離は通常長いが、ウェーブガイド１２０の主要送信部分を隣接するウェーブガイド１２０が平行に設置された送信部分、例えば、図１における送信中間部分１２１５又は図２における送信ヘッド部分１２１０とさせるために、ウェーブガイド１２０の送信テール部分１２２０の長さはできるだけ短く設定する必要があることが理解できる。これに基づいて、第１閾値及び第２閾値は、実際の必要に応じて選択及び設定することができ、隣接する２つのウェーブガイド１２０が平行に設置された送信部分の間隔がサブビームの送信に対して結合クロストークを引き起こさないように制限される。ウェーブガイド１２０の送信テール部分１２２０の長さが短いことにより、複数のウェーブガイド１２０の送信テール部分１２２０が扇形を呈して集中し、隣接する２つの送信テール部分１２２０の間の距離は徐々に狭くなっているが、隣接する２つの送信テール部分１２２０の間のサブビームの送信に対する結合クロストークを無視することができる。

【0038】

本発明の実施形態では、複数のウェーブガイド１２０の送信テール部分は、扇形を呈して自由空間収束領域２に集中し、ウェーブガイドアレイ１２によって出力される複数のサブビームの合成は、自由空間収束領域２で完了することができ、例えば、複数のサブビームが像面Ｓ_０をフォーカスさせ、像面Ｓ_０は、複数のサブビームが自由空間収束領域２内でデフォーカスされた後の仮想結像面である。自由空間収束領域２は、自由伝播領域（Free Propagation Region、略称ＦＰＲ）である。

【0039】

選択的に、図３に示すように、像面Ｓ_０は円弧面であり、基準面上の像面Ｓ_０の正投影形状は、曲率半径Ｒの円弧線Ｌ_ａを含む。これに対応して、自由空間収束領域２の基準面上の正投影形状は、半径が２Ｒのローランド円Ｒ_ｃを含み、前記ローランド円Ｒ_ｃの中心Ｏ_１は、前記円弧線Ｌ_ａ上に位置する。

【0040】

ここで、基準面とは、例えば、図１、図２、図３に示す水平面など、ウェーブガイドアレイ１２が配置される平面と平行な平面を指す。さらに、これに基づいて、複数のウェーブガイド１２０の送信テール部分は、扇形を呈して自由空間光合成領域２に集中しており、これは、複数のウェーブガイド１２０の出力端がローランドサークルＲ_ｃの円周に沿って分布していることを指す。

【0041】

本発明の実施形態では、共有光格子エミッタ３は、複数のサブビームを像面Ｓ_０上に合成した合成ビームを回折して発射するように構成され、同心の2段階光格子構造を採用することができる。例えば、図４に示すように、共有光格子エミッタ３は、曲率中心Ｏ_３が同じ複数の円弧形歯３１から構成される。本発明の実施形態では、合成光ビームが像面Ｓ_０から共有光格子エミッタ３内に直接放射され得る限り、円弧形歯３１の数、曲率半径などを限定しない。

【0042】

選択的に、像面Ｓ_０は、円弧形歯３１とその曲率中心Ｏ_３とによって囲まれた領域に位置する。例えば、図３及び図４と併せて、像面Ｓ_０の曲率中心Ｏ_２が円弧形歯３１の曲率中心Ｏ_３と同じであることを理解されたい。或いは、別の例として、引き続き図３及び図４を参照し、像面Ｓ_０が、共有光格子エミッタ３において曲率半径が最も小さい円弧状歯３１の内面と重なることを理解されたい。

【0043】

このように、複数のサブビームを像面Ｓ_０に合成した合成ビームは、フォーカス方向に沿って共有光格子エミッタ３まで直線的に送信し、共有光格子エミッタ３で回折させて射出することができる。即ち、複数のサブビームが像面Ｓ_０上にフォーカスされた合成ビームは、像面Ｓ_０の周方向に垂直な光放射方向に沿って共有光格子エミッタ３に送信される。共有光格子エミッタ３は、波長選択機能を有し、合成ビームの波長が共有光格子エミッタ３の光格子方程式を満たす条件下では、合成ビームは、共有光格子エミッタ３を介して一定の角度の回折及び射出を実現することができる。さらに、初期ビームの波長及び位相が異なる場合、対応する合成ビームが像面Ｓ_０にフォーカスする位置及び合成ビームの射出角度も異なる。共有光格子エミッタ３は、同心に配置された複数の円弧形歯３１を採用し、像面Ｓ_０を円弧形歯３１とその曲率中心Ｏ_３とで囲まれた領域に位置させることで、複数の円弧形歯３１を１つの全体として、像面Ｓ_０上の任意の位置の合成ビームに対して回折して射出することができる。

【0044】

また、共有光格子エミッタ３は、上記構造を採用することで、隣接する２つの円弧形歯３１の間の間隔の大きさによって合成ビームの回折及び射出に結合クロストークを生じることがない。このように、ウェーブガイドアレイ１２内のウェーブガイド１２０の数も、共有光格子エミッタ３のサイズが小さいため、極力減らす必要がなく、ビーム制御器１００の送信パワーを向上させるのに有利である。

【0045】

要約すると、本発明の実施形態では、複数のサブビームの合成、及び合成ビームの射出が独立して行われ、即ち、複数のサブビームの合成は、自由空間収束領域２でのフリーフォーカスによって完了し、対応する合成ビームの射出が共有光格子エミッタ３によって回折されて完了する。このように、共有光格子エミッタ３の構造は、合成ビームの射出の必要に応じて設計することができ、もはやサブビーム合成の必要によって制限される必要はなく、即ち、複数のサブビームを合成ビームにフォーカスさせる機能、及び合成ビームを回折して射出する機能を同時に兼ね備える必要がない。したがって、共有光格子エミッタ３は、より大きなビーム射出角を有することができる。

【0046】

また、複数のウェーブガイド１２０の送信テール部分は扇形を呈して自由空間収束領域２に集中しているため、主要送信部分の送信効果に影響を与えることなく、ウェーブガイド１２０の送信テール部分１２２０の間の間隔を徐々に縮小することができ、例えば、隣接する２つのウェーブガイド１２０の出力端の間の距離を、初期ビームの波長よりも小さく、又は初期ビームの波長の半分よりも小さくする。ここで、ウェーブガイド１２０の出力端は、送信テール部分１２２０と自由空間光合成領域２との境界の端部である。したがって、複数のサブビームのフォーカス後の合成ビームにおける光格子サイドローブの発生を効果的に抑制して、ビーム制御器１００の走査出力効率を確保又は向上させることができる。

【0047】

可能な一実施形態では、２つの隣接するウェーブガイド１２０の送信距離の差とウェーブガイド１２０の群屈折率との積は、初期ビームの波長の整数倍であることに留意されたい。このように、複数のウェーブガイド１２０によって送信される複数のサブビームは、容易に自由空間収束領域２内で空間的に回折して重畳され、像面Ｓ_０上で合成ビームにフォーカスされる。

【0048】

この基礎において、選択的に、図５に示すように、各隣接する２つのウェーブガイド１２０の出力端の間の距離Ｄ３は等しく、ウェーブガイドアレイ１２内の複数のウェーブガイド１２０に同じ出力間隔をもたせることで、隣接する２つのウェーブガイド１２０の間の送信距離の差値に基づいて設計及び制御を行うことが容易になる。

【0049】

一部の実施形態では、引き続き図５を参照し、ウェーブガイドアレイ１２は、各ウェーブガイド１２０上に統合された可制御移相器（Phase Shifter）１２１をさらに含む。可制御移相器１２１は、サブビームの位相を制御するように構成される。このように、可制御移相器１２１を使用してサブビームの位相を調整することによって、ウェーブガイドアレイ１２内の複数のサブビームの相対的な位相分布を制御することができる。

【0050】

可制御移相器１２１の構造は、実際の必要に応じて選択及び設定することができる。例えば、可制御移相器１２１は、各ウェーブガイド１２０上に配置された金属加熱層であり、このようにして、金属加熱層が提供する加熱温度によって対応するサブビームの位相を制御することができる。或いは、別の例として、ウェーブガイド１２０は、ドープウェーブガイドであり、可制御移相器１２１は、ウェーブガイド１２０に接続された金属電極であり、このようにして、金属電極が送信する電気信号によって対応するサブビームの位相を制御することができる。

【0051】

以上のことから、初期ビームの波長を調整することにより、合成ビームの射出角度を垂直面内で変化させ、合成ビームを第１方向（例えば垂直方向）に走査することができる。初期ビームの波長は、合成ビームの垂直方向の走査角度を決定することができる。可制御移相器１２１が対応するサブビームの位相変化を制御することによって、合成ビームを水平面内の像面Ｓ_０の周方向に沿って異なる位置にフォーカスさせ、合成ビームの水平方向の走査を実現することができる。サブビームの位相は、複合ビームの第２方向（例えば水平方向）における走査角度を決定することができる。また、初期ビーム波長の調整、及びサブビーム位相の調整は、選択的に又は同時に実行することができる。

【0052】

異なる波長と異なる位相の合成ビームに対する影響をより明確に説明するために、図６及び図７に、２種の合成ビームの異なる波長と異なる位相制御下における光路をそれぞれ示す。

【0053】

図６に示すように、初期ビームの波長はλ_１であり、サブビームの位相制御は、第１制御方式を採用している。ウェーブガイドアレイ１２によって自由空間収束領域２に送信された複数のサブビームは、自由空間内で回折及び重畳され、像面Ｓ_０のＡ点位置にフォーカスし（図６の（ａ）に示す）、共有光格子エミッタ３の作用の下、挟み角α_１で水平面（即ち、ビーム制御器１００の表面）から射出することができる（図６の（ｂ）に示す）。

【0054】

図７に示すように、初期ビームの波長はλ_２であり、サブビームの位相制御は、第２制御方式を採用し、ここで、λ_２≠λ_１であり、第１制御方式は第２制御方式とは異なる。ウェーブガイドアレイ１２によって自由空間収束領域２に送信された複数のサブビームは、自由空間内で回折及び重畳され、像面Ｓ_０のＢ点位置にフォーカスすることができる（図７の（ａ）に示す）、共有光格子エミッタ３の作用の下、挟み角α_２で水平面（即ち、ビーム制御器１００の表面）から射出することができる（図７の（ｂ）に示す）。

【0055】

一部の実施形態では、引き続き図５を参照し、ウェーブガイドアレイ１２は、各ウェーブガイド１２０に統合された可変光減衰器（Variable Optical Attenuator、略称ＶＯＡ）１２２をさらに含む。可変光減衰器１２２は、ウェーブガイド１２０の送信パワーを調整するように構成される。したがって、可変光減衰器１２２を使用してサブビームの強度を制御し、任意の形式のビーム合成を実現することができる。

【0056】

可変光減衰器１２２の構造は、実際の必要に応じて選択及び設定することができる。選択的に、可変光減衰器１２２は、マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）からなる。マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）を使用してサブビームの位相を調整することにより、任意の比率のパワー減衰を実現することができる。

【0057】

本発明の一部の実施形態は、上述した一部の実施形態におけるビーム制御器１００に適用されるビーム制御方法を提供する。前記ビーム制御方法は、Ｓ１００～Ｓ４００を含む。

【0058】

Ｓ１００では、ビームスプリッタ１１は、初期ビームを複数のサブビームに等分し、各サブビームをウェーブガイド１２０に送信する。

【0059】

ここで、ビームスプリッタ１１は、スターカプラであってよく、又は複数の１×２ウェーブガイドビームスプリッタをカスケード接続して構成されるものであってもよい。ビームスプリッタ１１の入力端は、光源に結合され、ビームスプリッタ１１の出力端は、ウェーブガイド１２０に結合される。

【0060】

また、光源は、例えば、レーザチップであり、光源が射出するビームは、波長が９５０～１５５０ｎｍの間の近赤外光ビームであってよい。光源からビームスプリッタ１１に送信されるビームは、初期ビームであり、初期ビームの波長は、光源によって調整可能である。

【0061】

Ｓ２００において、複数のウェーブガイド１２０は、それぞれ対応するサブビームを自由空間収束領域２に送信する。

【0062】

ここで、複数のウェーブガイド１２０の送信テール部は、扇形を呈して自由空間光合成領域２内に集中している。

【0063】

また、ウェーブガイド１２０の送信距離は、通常比較的長いが、ウェーブガイド１２０における主要送信部分を隣接するウェーブガイド１２０と平行に設置された送信部分、例えば、図１における送信中間部分１２１５又は図２における送信ヘッド部分１２１０とさせるため、ウェーブガイド１２０の送信テール部分１２２０の長さは、できるだけ短く設定する必要があることが理解できる。これに基づいて、隣接するウェーブガイド１２０における平行な送信部分の間の間隔は、サブビームの送信に対して結合クロストークを引き起こさないように制限される。ウェーブガイド１２０の送信テール部分１２２０の長さは比較的短いため、複数のウェーブガイド１２０の送信テール部分１２２０が扇形を呈して集中し、隣接する２つの送信テール部分１２２０間の距離を徐々に減少させているが、隣接する２つの送信テール部分１２２０の間のサブビーム送信に対する結合クロストークを無視することができる。

【0064】

Ｓ３００では、複数のサブビームが自由空間収束領域２内の像面Ｓ０上に合成される。

【0065】

複数のウェーブガイド１２０の送信テール部分は、扇形を呈して自由空間収束領域２に集中し、ウェーブガイドアレイ１２によって出力される複数のサブビームの合成を自由空間収束領域２内で完了することができ、例えば、複数のサブビームを像面Ｓ_Ｏ上にフォーカスさせ、像面Ｓ_０は、複数のサブビームが自由空間収束領域２内にフォーカスした後の仮想結像面である。自由空間収束領域２は、自由伝播領域（ＦｒｅｅＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎＲｅｇｉｏｎ、略してＦＰＲ）である。

【0066】

Ｓ４００では、共有光格子エミッタ３が複数のサブビームを像面Ｓ_０上に合成した合成ビームを回折して射出する。

【0067】

複数のサブビームが像面Ｓ_０に合成された合成ビームは、フォーカス方向に沿って共有光格子エミッタ３まで直線的に送信され、共有光格子エミッタ３によって回折して射出される。即ち、複数のサブビームによって像面Ｓ_０にフォーカスされた合成ビームは、像面Ｓ_０の周方向に垂直な光射出方向に沿って共有光格子エミッタ３に送信される。共有光格子エミッタ３は、波長選択機能を有しており、合成ビームの波長が共有光格子エミッタ３の光格子方程式を満たす条件下では、合成ビームは、共有光格子エミッタ３を介して一定の角度で回折して射出される。また、初期ビームの波長及び位相が異なる場合、合成光束が像面Ｓ_０にフォーカスする位置及び合成ビームの射出角度も対応して異なる。

【0068】

本発明の実施形態が提供するビーム制御方法は、前述の一部の実施形態のビーム制御器に適用される。前述のビーム制御器によって実現可能な技術効果は、前記ビーム制御方法によっても実現することができるため、ここでは詳細に説明しない。

【0069】

一部の実施形態では、ビーム制御方法は、Ｓ５００をさらに含む。

【0070】

Ｓ５００では、初期ビームの波長を調整し、合成ビームの走査角度を第１方向に沿って変化させる。サブビームの位相を調整し、合成ビームの走査角度を第２方向に沿って変化させる。ここで、第１方向は、第２方向と直交する。

【0071】

ここで、初期ビームの波長は、光源を制御することによって調整することができる。

【0072】

サブビームの位相は、各ウェーブガイド１２０上に統合された可制御移相器（Phase Shifter）１２１によって実現することができる。例えば、可制御移相器１２１は、各ウェーブガイド１２０上に配置された金属加熱層であり、このように、金属加熱層が提供する加熱温度によって対応するサブビームの位相を制御することができる。或いは、別の例として、ウェーブガイド１２０はドープウェーブガイドであり、可制御移相器１２１は、各ウェーブガイド１２０に接続された金属電極であり、このように、金属電極が送信する電気信号によって対応するサブビームの位相を制御することができる。

【0073】

第１方向は、例えば、垂直方向であり、第２方向は、例えば、水平方向である。

【0074】

また、Ｓ５００及びＳ３００、Ｓ４００の間で順序における必然的な制限はなく、即ち、何れが先に実行されてもよく、或いは、同時実行されてもよい。

【0075】

一部の実施形態では、ビーム制御方法は、Ｓ６００をさらに含む。

【0076】

Ｓ６００では、ウェーブガイドの送信パワーを調整してサブビームの強度を変更する。

【0077】

ここで、ウェーブガイドの送信パワーは、各ウェーブガイド１２０に統合された可変光減衰器１２２によって実現することができる。

【0078】

例えば、可変光減衰器１２２は、マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）により構成される。マッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）を使用してサブビームの位相を調整することにより、任意の比率のパワー減衰を実現することができる。したがって、サブビームの強度を制御して、任意の形式のビーム合成を実現することができる。

【0079】

また、Ｓ６００とＳ３００、Ｓ４００、Ｓ５００との間で順序における必然的制限はなく、何れが先に実行されてもよく、同時実行されてもよい。

【0080】

上記実施形態の各技術特徴は、任意に組み合わせることができ、説明を簡潔にするため、上記実施例における各技術特徴の全ての可能な組み合わせについては説明していないが、これらの技術特徴の組み合わせに矛盾がない限り、何れも本明細書に記載の範囲であるとみなされるべきである。

【0081】

上記の実施形態は、本発明のいくつかの実施形態を表現しているのみであり、その説明は比較的具体的かつ詳細であるが、これが発明特許の範囲を限定するものとして理解されるべきではない。当業者にとって、本発明の概念から逸脱することなく幾らかの変形及び改良を行うことができ、これらは何れも本発明の保護範囲内に含まれることに留意されたい。したがって、本発明特許の保護範囲は添付の特許請求の範囲によって決定されるべきである。

【符号の説明】

【0082】

１００ ビーム制御器
１ 光学フェーズドアレイ
２ 自由空間収束領域
３ 共有光格子エミッタ
１１ ビームスプリッタ
１２ ウェーブガイドアレイ
１２０ ウェーブガイド
１２１０ 送信ヘッド部分
１２１５ 送信中間部分
１２２０ 送信テール部分
１２１ 可制御移相器
１２２ 可変光減衰器
３１ 円弧形歯
１１１ １×２ウェーブガイドビームスプリッタ
Ｓ_０ 像面
Ｌ_ａ 円弧線
Ｒ_ｃ ローランド円
Ｄ１ 隣接する送信中間部分の間の距離、
Ｄ２ 隣接する送信ヘッド部分の間の距離
Ｄ３ 隣接する出力端の間の距離
Ｏ_１ ローランド円の中心
Ｏ_２ 像面の曲率中心
Ｏ_３ 円弧形歯の曲率中心
α_１及びα_２ 異なる波長条件下での合成ビームの垂直方向の射出角度
Ａ及びＢ 異なる位相条件下での合成ビームの水平方向のフォーカス位置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【国際調査報告】