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特表2024-536548光フェーズドアレイの光整形の装置と方法

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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2A-2B
3A-3C
4A
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6B
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10A
10B

(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】2024-10-04

(54)【発明の名称】光フェーズドアレイの光整形の装置と方法

(51)【国際特許分類】

G02F 1/295 20060101AFI20240927BHJP

【ＦＩ】

G02F1/295

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024523135

(86)(22)【出願日】2022-05-10

(85)【翻訳文提出日】2024-04-17

(86)【国際出願番号】 US2022028458

(87)【国際公開番号】W WO2023069146

(87)【国際公開日】2023-04-27

(31)【優先権主張番号】63/256,858

(32)【優先日】2021-10-18

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】519350591

【氏名又は名称】アナログフォトニクスエルエルシー

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100111235

【弁理士】

【氏名又は名称】原裕子

(74)【代理人】

【識別番号】100195257

【弁理士】

【氏名又は名称】大渕一志

(72)【発明者】

【氏名】ワッツ、マイケルロバート

(72)【発明者】

【氏名】スティルコバ、カティア

【テーマコード（参考）】

2K102

【Ｆターム（参考）】

2K102AA17

2K102AA21

2K102AA28

2K102BA09

2K102BB04

2K102BB08

2K102BC04

2K102BC10

2K102BD09

2K102DC08

2K102DD02

2K102DD03

2K102EB02

2K102EB08

2K102EB10

2K102EB14

(57)【要約】

装置が、光フェーズドアレイを含むフォトニック集積回路と、光フェーズドアレイに対する固定位置にある第１合焦素子であって、光フェーズドアレイへ又は光フェーズドアレイから光ビームを結合するように構成される第１合焦素子と、第１合焦素子に対する固定位置にある第２合焦素子であって、第１合焦素子へ又は第１合焦素子から光ビームを結合するように構成される第２合焦素子とを含む。第１合焦素子又は第２合焦素子の少なくとも一方が、フォトニック集積回路に外部結合され、第１合焦素子と第２合焦素子とは異なる有効焦点距離を有する。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

装置であって、
光フェーズドアレイを含むフォトニック集積回路と、
前記光フェーズドアレイに対する固定位置にある第１合焦素子であって、前記光フェーズドアレイへ又は前記光フェーズドアレイから光ビームを結合するように構成される第１合焦素子と、
前記第１合焦素子に対する固定位置にある第２合焦素子であって、前記第１合焦素子へ又は前記第１合焦素子から光ビームを結合するように構成される第２合焦素子と
を含み、
前記第１合焦素子又は前記第２合焦素子の少なくとも一方が、前記フォトニック集積回路に外部結合され、前記第１合焦素子と前記第２合焦素子とは異なる有効焦点距離を有する、装置。

【請求項2】

前記第１合焦素子は屈折素子を含む、請求項１の装置。

【請求項3】

前記屈折素子は一以上のレンズを含む、請求項２の装置。

【請求項4】

前記第１合焦素子は反射面を含む、請求項１の装置。

【請求項5】

前記第２合焦素子は反射面を含む、請求項４の装置。

【請求項6】

前記第１合焦素子及び前記第２合焦素子はそれぞれが放物面鏡を含み、前記放物面鏡は、光ビームを前記放物面鏡の軸から軸外に反射するように構成される、請求項５の装置。

【請求項7】

前記第１合焦素子は、少なくとも第１の次元において正の焦点距離を有し、前記第２合焦素子は、少なくとも前記第１の次元において負の焦点距離を有する、請求項５の装置。

【請求項8】

前記第２合焦素子は屈折素子を含む、請求項４の装置。

【請求項9】

前記第１合焦素子に対する前記第２合焦素子の固定位置は、無限焦点ビーム拡大構成を与えるように構成される、請求項１の装置。

【請求項10】

前記フォトニック集積回路と前記第１合焦素子及び前記第２合焦素子とが、ＬｉＤＡＲシステムの少なくとも一部分に含まれる、請求項１の装置。

【請求項11】

前記フォトニック集積回路と前記第１合焦素子及び前記第２合焦素子とは、通信システムの自由空間光リンクの少なくとも一部分に含まれる、請求項１の装置。

【請求項12】

フォトニック集積回路において光フェーズドアレイに光学的に結合する方法であって、
光ビームを前記光フェーズドアレイに又は前記光フェーズドアレイから結合することと、
前記光ビームを前記光フェーズドアレイと前記光フェーズドアレイに対する固定位置にある第１合焦素子との間に結合することと、
前記光ビームを前記第１合焦素子と前記第１合焦素子に対する固定位置にある第２合焦素子との間に結合することと
を含み、
前記第１合焦素子又は前記第２合焦素子の少なくとも一方が、前記フォトニック集積回路に外部結合され、前記第１合焦素子と前記第２合焦素子とは異なる有効焦点距離を有する、方法。

【請求項13】

前記第１合焦素子は屈折素子を含む、請求項１２の方法。

【請求項14】

前記第１合焦素子は反射面を含む、請求項１２の方法。

【請求項15】

前記第２合焦素子は反射面を含む、請求項１４の方法。

【請求項16】

前記第１合焦素子は、少なくとも第１の次元において正の焦点距離を有し、前記第２合焦素子は、少なくとも前記第１の次元において負の焦点距離を有する、請求項１５の方法。

【請求項17】

前記第２合焦素子は屈折素子を含む、請求項１４の方法。

【請求項18】

前記第１合焦素子に対する前記第２合焦素子の固定位置は、無限焦点ビーム拡大構成を与えるように構成される、請求項１２の方法。

【請求項19】

前記フォトニック集積回路と前記第１合焦素子及び第２合焦素子とは、ＬｉＤＡＲシステムの少なくとも一部分に含まれる、請求項１２の方法。

【請求項20】

前記フォトニック集積回路と前記第１合焦素子及び前記第２合焦素子とは、通信システムの自由空間光リンクの少なくとも一部分に含まれる、請求項１２の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願への相互参照
本出願は、２０２１年１０月１８日に出願された「光フェーズドアレイの光操舵」との名称の米国仮出願第６３／２５６，８５８号の優先権及び利益を主張する。

【0002】

本開示は光フェーズドアレイの光整形に関する。

【背景技術】

【0003】

放射体素子（放射体又はアンテナとも称する）の直線状分布を有する光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）が存在する。各放射体素子に光を供給する複数の位相シフタにおける相対的な位相シフトを変更することによって、直線状分布に垂直な第１軸まわりに操舵することができる。第１軸に直交する第２軸まわりに操舵するべく、他の技法も使用することができる。操舵されるビームのサイズ及び発散は、ＯＰＡの特性によって決定され得る。

【発明の概要】

【0004】

一側面において、一般に、装置が、光フェーズドアレイを含むフォトニック集積回路と、光フェーズドアレイに対する固定位置にある第１合焦素子であって、光フェーズドアレイへ又は光フェーズドアレイから光ビームを結合するように構成される第１合焦素子と、第１合焦素子に対する固定位置にある第２合焦素子であって、第１合焦素子へ又は第１合焦素子から光ビームを結合するように構成される第２合焦素子とを含む。第１合焦素子又は第２合焦素子の少なくとも一方が、フォトニック集積回路に外部結合され、第１合焦素子と第２合焦素子とは異なる有効焦点距離を有する。

【0005】

他側面において、一般に、フォトニック集積回路において光フェーズドアレイへの光学的結合の方法が、光フェーズドアレイへ又は光フェーズドアレイから光ビームを結合することと、光フェーズドアレイに対する固定位置において光ビームを光フェーズドアレイと第１合焦素子との間に結合することと、第１合焦素子に対する固定位置において光ビームを第１合焦素子と第２合焦素子との間に結合することとを含む。第１合焦素子又は第２合焦素子の少なくとも一方が、フォトニック集積回路に外部結合され、第１合焦素子と第２合焦素子とは異なる有効焦点距離を有する。

【0006】

複数の側面が、以下の特徴の一つ以上を含み得る。

【0007】

第１合焦素子は屈折素子を含む。

【0008】

屈折素子は一以上のレンズを含む。

【0009】

第１合焦素子は反射面を含む。

【0010】

第２合焦素子は反射面を含む。

【0011】

第１合焦素子及び第２合焦素子はそれぞれが放物面鏡を含み、この放物面鏡は、光ビームを放物面鏡の軸から軸外に反射するように構成される。

【0012】

第１合焦素子は、少なくとも第１の次元において正の焦点距離を有し、第２合焦素子は、少なくとも第１の次元において負の焦点距離を有する。

【0013】

第２合焦素子は屈折素子を含む。

【0014】

第１合焦素子に対する第２合焦素子の固定位置は、無限焦点ビーム拡大構成すなわち無限焦点ビーム拡大構成を与えるように構成される。

【0015】

フォトニック集積回路と第１合焦素子及び第２合焦素子とは、ＬｉＤＡＲシステムの少なくとも一部分に含まれる。

【0016】

フォトニック集積回路と第１合焦素子及び第２合焦素子とは、通信システムの自由空間光リンクの少なくとも一部分に含まれる。

【0017】

複数の側面が、以下の利点のうち一つ以上を有し得る。

【0018】

ここに記載される技法は、ＯＰＡ系デバイスによって受信され及び／又はＯＰＡ系デバイスから送信される光ビームのサイズ及び発散を整形するための様々なメカニズムを与えるために使用することができる。ＯＰＡは、所望の送信角度及び／又は受信角度において光ビームを送信及び／又は受信するために使用することができる。ＯＰＡのいくつかの実装例において、一以上のフォトニック集積回路（又はチップ）は、ＯＰＡ位相シフトを使用して第１軸まわりに操舵されるビームを与えるためにコヒーレントに干渉する光を放射するＯＰＡアンテナの線形配列を含む。ＯＰＡ系送受信器は、第１軸に垂直な第２軸まわりに操舵するための様々な他の操舵メカニズムのいずれかを含むようにコンパクトかつ効率的な態様で構成され得る。代替的に、いくつかの実装例において、ＯＰＡアンテナの２次元（２Ｄ）配列が、位相ＯＰＡ位相シフトに基づいて操舵される光を放射してよい。一般に、ビーム拡大は、以下に詳細に説明されるように、限られたビーム発散を様々な技法によって維持しながらビームのサイズを拡大するように与えられる。ビーム拡大により、依然として大きな有効アパチャサイズを達成する小さな又はコンパクトなＯＰＡの使用が許容されるとともに、ビームサイズを、フルレチクルを超えるように増加させる能力も許容される。小さな又はコンパクトなＯＰＡの使用により一般に、ＯＰＡを、均一な放射体を有するように製作することが可能になる。均一性からの偏差は、デバイスサイズが大きくなるほど悪化する可能性があるからである。これらの技法は、例えば、ＯＰＡ系ＬｉＤＡＲセンサシステムのために使用することができ、ノード間の自由空間光リンクを使用する通信システムのノードのような遠隔通信端末のために使用することもできる。かかる光システムにとって、ビームを形成する波は、光学波、光波又は単に光とも称する特定の光波長範囲（例えば約１０ｎｍから約１ｍｍまで又はその一部の範囲）に該当するピーク波長を有するスペクトルを有する。

【0019】

以下の記載から、並びに図面及び特許請求の範囲から、他の特徴及び利点が明らかになる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

本開示は、添付図面と併せて読むと、以下の詳細な説明から最もよく理解される。一般的な慣行により図面の様々な特徴が縮尺通りではないことが強調される。逆に、様々な特徴部の寸法は、わかりやすくするべく任意に拡大又は縮小される。

【0021】

【図1】図１は、例示の垂直放射ＯＰＡチップの模式図である。

【図2A-2B】図２Ａ及び図２Ｂは、例示のエンドファイア放射ＯＰＡチップの模式図である。

【図3A-3C】図３Ａ、図３Ｂ及び図３Ｃは、ＯＰＡビーム発散の模式図である。

【図4A-4B】図４Ａ及び図４Ｂは、ビーム発散を制限する構造物の模式図である。

【図5】図５は、ビーム発散を制限する格子放射体のアレイの模式図である。

【図6A】図６Ａ、図６Ｂ及び図６Ｃは、例示のビーム拡大構成の模式図である。

【図6B】図６Ａ、図６Ｂ及び図６Ｃは、例示のビーム拡大構成の模式図である。

【図6C】図６Ａ、図６Ｂ及び図６Ｃは、例示のビーム拡大構成の模式図である。

【図7A】図７Ａ及び図７Ｂは、例示のビーム拡大構成の模式図である。

【図7B】図７Ａ及び図７Ｂは、例示のビーム拡大構成の模式図である。

【図8】図８は、例示のＬｉＤＡＲシステムの模式図である。

【図9】図９は、例示の自由空間光通信システムの模式図である。

【図10A-10B】図１０Ａ及び図１０Ｂは、ビーム拡大器及び分散素子を備える例示の配列体の模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

ＯＰＡベースの送受信器の中で光フェーズドアレイから放射される光ビームは、例えば、反射構造物、分散構造物及び／又は屈折構造物を使用して操舵することができる。光フェーズドアレイへと受信される入射光ビームの受信角度を構成するべく、同じ「操舵」メカニズムを使用することができる。いくつかの実装例は、以下に詳述されるようにビームのサイズを変更するべく外部ビーム拡大デバイスを利用する。出射ビームの放射角度、及び入射ビームの（同じ受信角度）が、位相制御（すなわち、それぞれのアンテナに結合される位相シフタによって適用される相対的な位相シフトを制御すること）により、一平面内で操舵される。いくつかの例において、他の（例えば直交）平面内で操舵することが操舵素子によって行われる。この操舵素子は、回折素子（例えば回折格子のような回折表面素子）のような分散素子を使用して、レーザチューニングを介して入射波長を変更することによって実装される。代替的に、操舵素子は、液晶、メタ表面、偏光格子、音響光学系、屈折素子（例えばプリズム）、及び／又は他の種類の分散素子のような代替メカニズムを使用してよい。

【0023】

ビームが相対的に大きなサイズ及び相対的にコリメートされた（すなわち、ゆっくりと発散する）ビーム合焦特性を有することを必要とする様々なシステムのうちのいずれかにおいて、送受信器が使用され得る。ＯＰＡ系送受信器がＬｉＤＡＲセンサシステムにおいて使用される場合、送信（Ｔｘ）ＯＰＡは、物体から散乱される出射ビームを与え得る。後方散乱光が、同じ経路を逆方向に移動して同じＯＰＡによって収集されるか、又は隣接する受信（Ｒｘ）ＯＰＡ（図８に対して以下に詳述される）若しくは隣接する送受信器によって収集される。ＯＰＡ系送受信器が自由空間光通信システムにおいて使用される場合、ローカル端末のＴｘ（Ｒｘ）ＯＰＡは、（図９に対して以下に詳述される）遠隔端末のＲｘ（Ｔｘ）ＯＰＡと通信し得る。

【0024】

図１は、光入力部１０２において受信された光からビームを放射するＯＰＡチップ１００の一例を示す。分配ネットワーク１０４（例えば導波路ツリー又はスター結合器）が、（電気光学的、熱的、液晶、ｐｎ接合系等のような）入力信号に基づいて屈折率を制御することによってプログラム可能な位相シフトを課すように構成される導波路系位相シフタ１０６に光を分配する。位相シフトされた光はその後、格子結合器、導波路格子アンテナ、又は実質的に垂直方向に徐々に光を放射する他の拡張された放射体のような垂直放射体１０８から（例えば伝播方向から９０度付近で）放射される。放射された光は干渉して、垂直放射体１０８の集合にわたって放射表面から放射されるビームを形成する。相対的に長い格子によって表面放射が達成されるこのような実装例において、放射の方向は高度に波長依存性となる。これは（例えば波長掃引による意図的操舵の場合に）有用となり得る。このような表面放射の他の利点は、ビームが実質的にコリメートされるような相対的に遅いビーム発散である。

【0025】

代替的に、ビーム発散を制限するメカニズムを備える他のタイプの放射体も使用してよい。図２Ａを参照すると、ＯＰＡチップ２００が、光入力２０２から導波路２０４のアレイへ等しい分布の（又はガウス分布のような所定分布の）光場を送達する分配ネットワーク２０１（例えば導波路ツリー又はスター結合器）を含む。個別の位相シフタ２０６（例えば、電気光学、熱、液晶、ｐｎ接合ベース等）を各導波路２０４に結合して、導波管２０４のアレイの端にあるエンドファイア放射体２０８から放射される光の位相を制御することができる。

【0026】

この光は、ＯＰＡチップ２００にあるか又はＯＰＡチップ２００から外れているレーザから、ＯＰＡチップ２００にある光入力部２０２に結合することができる。放射体２０８からの光が位相シフタ２０６及び放射体２０８を通過して光円錐２１０へと放射される。各放射体２０８が、横方向及び上下方向における自身のエレメントファクタを生成する。位相シフタ２０６が、放射体２０８から出射される光に対して位相の線形進行（０－２π内に包まれ得る）を与える場合、すべての放射体からの光が結合されて、図２Ｂに示されるようにＯＰＡチップ２００の平面に実質的に平坦な位相フロント２１４（例えば平面波放射）を有する放射ビーム２１２になる。動作中のＯＰＡチップ２００の光フェーズドアレイ部分の上面図を示す図２Ｂにおいて見えるように、当該光フェーズドアレイから放射されるビーム２１２は、当該光フェーズドアレイの幅（及び観測角度）によって決定されるパターンを有するように回折される。よって、各放射体から放射される光２１６が急速に発散しても、全体的なアレイビーム回折２１８は、ゆっくり発散する半ガウスビーム（ｓｅｍｉ－ｇａｕｓｓｉａｎｂｅａｍ）のように振る舞う。それにもかかわらず、垂直方向において、この平坦なアレイの振る舞いは、図２Ｂに示される面内図（ｉｎ－ｐｌａｎｅｖｉｅｗ）と同様とはならない。

【0027】

横から見た光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）の断面を示す図３Ａにおいて見えるように、導波路モード３００が、基板３０４（例えばシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）プラットフォームの埋め込み酸化物（ＢＯＸ）層）の頂部に存在するクラッディング３０２（例えば二酸化シリコン）の中のコア層（例えばシリコン）に対応する。導波路モード３００から放射されたビーム３０６は、単一の放射体の発散に応じて、放射体の直線状アレイに垂直な図示平面内で発散を受けることにより、当該平面内で急速に発散する。発散速度はモードサイズに依存する。発散速度もまた、モード円錐角によって測定される。図示平面の垂直方向におけるビーム発散は、エンドファイア放射体の有効アパチャサイズに依存する。図３Ｂには、急速なビーム発散３１２をもたらす小モード断面３１０が存在する。図３Ｃには、遅いビーム発散３１６をもたらす大モード断面３１４が存在する。

【0028】

モード及び関連するビーム発散の制御は、様々な技術のいずれかによって行うことができる。例えば、相対的にコリメートされたビームを放射することが一般に望ましい。これは、放射の後、２つの合焦素子（実質的には望遠鏡）を使用して、発散を増加させることなくビームの横方向サイズを広げるように光を拡大することによって、送信又は受信のいずれかに対して大きな有効アパチャを形成することができるからである。この拡大による広がりによって回折角は、アパチャサイズの倍率の逆数で変化する。したがって、以下に詳述されるように、コリメートされたビームを最初に放射することによって出力ビームが、２つの合焦素子の後でもコリメートされたままとなる。図４Ａは、ビーム４０２の発散を制限するべく低屈折率の緩い導波構造物４００（例えばポリマー、酸窒化シリコン、窒化シリコン等の層）に光を結合する一例を示し、図４Ｂは、ビーム４１２の発散を防止するべく多数の導波層４１０に徐々に結合する一例を示す。ビームサイズが増加するにもかかわらずビーム発散を低減する他の方法は、格子放射体を利用することである。図５は、格子放射体のアレイ５００の一例を示す。これらの格子放射体は、当該格子放射体の平面から出る方向に出力ビーム５０２を放射するように構成される。この格子結合器の強度は、エミッタの全長および対応する有効アパチャサイズ５０４が所望のビーム発散角に適合するように調整することができる。

【0029】

上述した技術により、サブミクロンスケールから数マイクロメートルへと有効アパチャサイズを増加させることができる。それにもかかわらず、ビームの横モードサイズは依然として、（アレイの平面内の）横方向よりも（アレイに直交する）垂直方向の方がはるかに高速に増大する。ビームの残留発散を克服する一つの方法は、所望の平面内のみにコリメートパワーを有する合焦素子を利用することである。

【0030】

図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、図７Ａ及び図７Ｂを参照すると、いくつかの実装例が、ＯＰＡからのビームを拡大するビーム拡大構成を含み得る。これは、一以上の外部光学素子を含み得る。ＯＰＡにより、集積フォトニックチップからの光ビームの非機械的ビーム操舵が可能となる。いくつかの場合、ＯＰＡの放射アパチャは、レチクルサイズによって制限される。レチクルサイズは、製作プロセス（通常は、リソグラフィステッパのフィールドサイズの関数であり、例えば一般的な値は～２６×３０ｍｍ）の直接的関数である。単一のＯＰＡは、完全なレチクルと同じ大きさになるだけである。いくつかの実装例において、設計されたビーム拡大比によってＯＰＡからのビームサイズを増加させるべく、外部光ビーム拡大器が使用され得る。これにより、大きなアパチャサイズが依然として達成される小さな／コンパクトなＯＰＡの使用が許容され、また、完全なレチクルを超えるビームサイズの増加能力も許容される。いくつかの実装例において、これらの放射体は長い格子アンテナである。これらの格子アンテナは、当該格子アンテナの長さにわたって光を放射するように構成され、例えば、ＯＰＡ格子アンテナにおける光がＸ次元に沿って（図示の例では紙面内へと）伝播するときに、放射された光は（例えば導波路の端面から放射するエンドファイア放射体の代わりに）Ｚ次元に沿って伝播する。かかる例において、ビームは、ここに記載される例のいくつかにおいてのように、エンドファイア放射体の発散が遅くなるように構成されない限り、いくつかのエンドファイア放射体とは対照的に、双方の横方向の次元において相対的に良好にコリメートされ得る。放射体が格子アンテナから構成されて２Ｄビーム操舵が一つの次元における位相シフト及び第２の次元における波長系操舵によって達成されるＯＰＡの特定例にとっては、ここに記載されるビーム拡大器により、小さな格子放射体の使用が許容され、ＯＰＡの外部におけるビームサイズの増加も許容される。これにより、はるかに短い格子放射器を製作することが許容され、究極的には均一なビームが生成される。かかるビーム拡大器を使用することからもたらされ得る利点の例は、以下を含む。
・ＰＩＣ／光学コンポーネントのアライメント感度が、ＯＰＡのための他のビーム拡大方法と比べて有意に低減される。
・大きなアンテナ／ダイを作る必要なしに、又はアパチャステッチなしに、大きなビームサイズが可能になる。
・ポストＰＩＣビーム拡大を有する短いアンテナにより、均一なビーム品質が許容される。

【0031】

光ビームは、図６Ａ、図６Ｂ及び図６Ｃに示されるビーム拡大器を使用して拡大され得る。この例において、ＯＰＡ６００は、実質的にコリメートされたビームをビーム拡大器に与える。このビーム拡大器は、２つの軸外放物線形状反射光学コンポーネント６０２Ａ及び６０２Ｂを含む。図６Ａは、２つの異なるビーム（太線で示す）に対する２つの異なる軸外角度及びビーム拡大率を示す。図６Ａの例において、ＯＰＡ６００は表面放射構成を有する。この表面放射構成は、コリメートされ又は制限された発散ビームが、ＯＰＡ６００の表面に近似的に直交して放射する放射体のアレイの長さにわたって徐々に放射される光によって形成される。図６Ｂは、ＯＰＡ６０４がエンドファイア構成を有する一例を示す。このエンドファイア構成においては、コリメートされ又は制限された発散ビームが、ＯＰＡ６０４のエッジから放射する放射体のアレイの端から放射される光によって形成される。図６Ｃは、光学コンポーネント６０２Ａ及び６０２Ｂを適切に傾斜させることによって達成され得る異なる軸外角度を示す。このＯＰＡは、相対的に良好にコリメートされたＯＰＡの出力ビームがビーム拡大器の第１光学コンポーネント６０２Ａへと向けられるように配置される。ビーム拡大器の光学コンポーネント６０２Ａ及び６０２Ｂは、ビームをｍ倍に拡大するように配置される鏡及び／又はレンズのような合焦素子を使用して実装され得る。反射ビーム拡大器、屈折ビーム拡大器、又は反射／屈折ビーム拡大器の組み合わせが使用され得る。

【0032】

反射ビーム拡大器は、２つの合焦素子はそれぞれが反射面（例えば曲面鏡）を使用して実装されるところ、ビームが伝播するガラスを有しておらず、ひいては、ビームを操舵するときに色収差がない、素子の厚さ又はガラス固有公差がない、ｘ軸とｙ軸との間の結合がない、という利点を有する。代替的に、屈折ビーム拡大器においては、２つの合焦素子それぞれを、レンズ又は複合多要素レンズシステムのような屈折素子を使用して実施することができる。または、ビーム拡大器は、一つの反射合焦素子及び一つの屈折合焦素子を望遠鏡配列で使用してよい。これらの配列のいずれにおいても、第１合焦素子及び第２合焦素子は、異なる有効焦点距離を有し得る。これにより、ＯＰＡへの又はＯＰＡからの相対的に長い距離にわたって伝播するように依然として実質的にコリメートされているビームの、ＯＰＡへの又はＯＰＡからの相対的に小さな横方向サイズから相対的に大きな横方向サイズへのビーム拡大時に、対応する量の倍率が得られる。

【0033】

フェーズドアレイからのグレゴリオ望遠鏡系ビーム拡大器のスケッチが図６Ａ、図６Ｂ及び図６Ｃに示される。望遠鏡は、別個の焦点距離の合計だけ近似的に分離された２つの光学コンポーネント６０２Ａ及び６０２Ｂ（ここでは軸外放物面鏡）から構成される。これは、無限焦点ビーム拡大構成とも称される。軸外放物面は、異なる軸外角度を有するように設計され得る。ＯＰＡ６００は、位相シフタ系操舵によってビームがＸ軸沿いに操舵されるように配向される。この例においては、この操舵がビーム拡大器を通して維持されるようにするには、２つの鏡がＸ次元沿いに屈折力を有しないようにする必要がある。これにより、各鏡は、２つの次元のうちの一方に沿って屈折力を有するアナモルフィック非球面となる。この例において、各鏡は、一つの次元では正の焦点距離を有し、他の次元では無限焦点距離（平坦面）を有する。鏡面の形状は、軸外放物面から、一般化された非球面又は何らかの他の形状へとさらに最適化され得る。これにより、光学収差が低減され、ビーム拡大器の出力において良好な波面品質が維持される一方、位相シフタ系ビーム操舵ゆえの波面品質も維持される。収差を補正して２つの鏡の製作要件を低減するべく、第３の光学系をシステムに挿入し得る。

【0034】

かかるビーム拡大器の他の実装例は、Ｙ次元に負の焦点距離を有する第１鏡と、Ｙ次元に正の焦点距離を有する第２鏡とを有することを含む。これは、古典的なカセグレン式ビーム拡大器と同様である。この例において、鏡は、Ｙ次元にのみ曲率／屈折力を有するアナモルフィックになり得る。この場合、Ｙ次元に沿った球面曲率が機能するが、光学収差が存在するがゆえに、ビームは完全にコリメートはされず、波面誤差を有する。双方の鏡を放物面（一つが負の焦点距離を有する凹型、一つが正の焦点距離を有する凸型）とすることが、収差を取り除き、ビームをコリメートするのに役立つ。他の非球面も使用され得る。収差を補正して一方又は双方の鏡への要件を緩和するべく、第３の光学系がシステムに挿入され得る。この構成によってビーム拡大器全体のサイズを節約することができる。これは、２つの鏡を依然として近似的に２つの焦点距離だけ離して配置する必要があるが、一方の焦点距離が負の場合には、システムのサイズ低減が許容されるからである。

【0035】

一つの次元のみに合焦パワーを備えたかかるビーム拡大器は、選択されたビーム拡大率だけビームを拡大する。例えば、ビームを拡大するために使用されて双方が互いに９０度に配向される２つのアナモフィック軸外放物面の場合において、ビームを５倍に拡大するためには、屈折力次元に沿った鏡１の（見かけの）焦点距離が１０ｍｍとすれば、屈折力次元に沿った鏡２の（見かけの）焦点距離は、１０×５＝５０ｍｍでなければならない。ここで、軸外放物面の「見かけの」焦点距離が、「親」焦点距離及び軸外角度から定義される量であることに留意する。ここで、ｆ_ｐは親焦点距離であってＲ／２に等しく、Ｒは曲率半径であり、θは軸外角度である。この場合の２つの鏡は、～（ｆ_ｓ１＋ｆ_ｓ２）だけ離れて配置される必要がある。これは、図６Ａに示されるように、無限焦点ビーム拡大構成とも称される。ここで、ｆ_ｓ１及びｆ_ｓ２は、２つの軸外放物面の見かけの焦点距離である。他の光学コンポーネントがシステムに挿入される場合、すべての光学コンポーネント間の距離は、入力ビーム及び出力ビームが双方とも無限焦点ビーム拡大構成を満たすようにコリメートされることが確実になるように調整され得る。

【0036】

一般に、ビームがＸ倍だけ拡大される場合、ビームの角度範囲はＸ倍だけ低減される。これは、波長系操舵を備えるＯＰＡがＹ次元に沿って異なる角度で光を放射するので有用となる。図７Ａ及び図７Ｂは、光ビームが２５／３＝８．３の倍率で３ｍｍから２５ｍｍへと拡大されているシミュレーションを示す。この例において、図７Ａは、０°入射ビームを備える２鏡系ビーム拡大器を示し、図７Ｂは、±°７入射ビームを備える２鏡系ビーム拡大器を示す。ｆ_ｓ１及びｆ_ｓ２は、２つの放物面鏡の見かけの焦点距離であり、ｙ軸に沿った屈折力のみを備える。２つの軸外放物面は双方とも３０°の軸外角度を有し、Ｙ次元における正の焦点距離を有する。図７Ａは、０°の操舵角においてＯＰＡから出射する光ビームを示す。出力ビームは、Ｚ軸に対してゼロ度においてビーム拡大器から出る。図７Ｂは、±７°度のＯＰＡ操舵角を備える２つの光ビームを示す。ＯＰＡ格子放射体の場合、格子分散は、異なる角度で放射する異なる波長をもたらす。ここで、±７°は、波長系アンテナ分散に起因してＯＰＡから出る角度を表す。ビーム拡大器は、プラス／マイナス数度の角度アクセプタンスを有する。これは、出力ビームが、第１鏡に対してわずか数度だけ傾斜される場合に極めて小さな波面誤差でビーム拡大器を出ることを意味する。しかしながら、出力ビームの角度値は、ビーム拡大器の入力値からｍ倍だけ低減される。ここで、ｍはビーム拡大率である。

【0037】

数度の角度アクセプタンスは、ＯＰＡ系ビーム操舵にとって有用なビーム拡大器の特性である。これによって、ＯＰＡがビーム拡大器の前に配置される場合にＯＰＡのアライメント感度が低減されるからである。これらの数度の角度アクセプタンスにより、ＯＰＡのアライメントが容易になる。これは、ビームを拡大するための他の外部光学的アプローチと比べてビーム拡大器アプローチの潜在的な利点となる。ＯＰＡアラインメントにおける１°の誤差は、無視できる波面誤差、及び（１／ｍ）°の出力ビーム出射角変化をもたらす。ここで、ｍはビーム拡大率である。

【0038】

ここに記載される技術は、ＬｉＤＡＲセンサシステムに使用することができる。例えば、図８を参照すると、拡大合焦素子を備える２つのＯＰＡシステムが並べて配置され、双方ともがＯＰＡ位相制御を使用して操舵する。この例において、Ｔｘフェーズドアレイシステム８００Ａが、出射ビームにおける光エネルギーの送信器として動作し、Ｒｘフェーズドアレイシステム８００Ｂが、収集されたビームにおいて後方散乱光を収集する。例えば、ＦＭＣＷ又は飛行時間検出スキームを利用して、物体までの距離及びその速度を（ドップラーシフト検出により）測定することができる。同じ拡大合焦素子を、Ｔｘフェーズドアレイシステム及びＲｘフェーズドアレイシステムの双方に対して同時に使用し得ることに留意されたい。

【0039】

図９は、拡大合焦素子を使用する２つのＯＰＡ系Ｔｘ／Ｒｘ送受信器システムの一例を示す。これらのシステムは、光リンクの各端にローカル端末９００及び遠隔端末９０２を含み、これを使用して、自由空間光ビームによるＷＤＭ高速データ通信システムを実装することができる。ここでも、各端末におけるＴｘＯＰＡシステム及びＲｘＯＰＡシステムの双方に対して同じ拡大合焦素子を同時に使用し得る。

【0040】

上述したように、様々な操舵メカニズムが、ここに記載のシステムとともに使用され得る。出射ビームの放射角度及び入射ビームの（同じ）受信角度を、位相制御（すなわち各放射体に結合された位相シフタによって適用される相対的な位相シフトを制御すること）により一平面内で操舵することができる。他の（例えば直交）面における操舵は、（例えばレーザチューニングを介して）入射波長が変化したときにビームを操舵する回折素子（例えば一以上の回折格子、一以上のプリズム、又は回折格子とプリズムとの組み合わせを含み得る）のような分散素子を使用して実装される操舵素子によって行うことができる。図１０Ａは、ＯＰＡ１０００及びビーム拡大器１００２を含む例示の配列を示す。この例では、分散素子１００４がＯＰＡ１０００とビーム拡大器１００２との間に配置される。図１０Ｂは、分散素子１００６がビーム拡大器１００２の後に配置される他例を示す。異なる位置に複数の分散素子を配置することを含む他の配列も可能である。使用される分散素子のサイズは、その分散素子の配置に依存し得る。

【0041】

本開示が所定の実施形態に関連して記載されてきたが、本開示は、開示された実施形態に限定されることがないと理解すべきであり、逆に、添付の特許請求の範囲内に含まれる様々な修正例及び同等の配列をカバーすることが意図されており、その範囲には、法律に基づいて許容されるすべての修正例及び同等の構造を包含するように最も広い解釈が与えられるべきである。

【図1】