特表 2024-542737 所定の放射プロファイルに従って所定の方向に光放射を放射するのに適した光アンテナを含む位相制御アンテナアレイを有する光エレクトロニクス送信機

(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】2024-11-15

(54)【発明の名称】所定の放射プロファイルに従って所定の方向に光放射を放射するのに適した光アンテナを含む位相制御アンテナアレイを有する光エレクトロニクス送信機

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/313 20060101AFI20241108BHJP

   G02B 5/18 20060101ALI20241108BHJP

【ＦＩ】

G02F1/313

G02B5/18

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024532732

(86)(22)【出願日】2022-11-29

(85)【翻訳文提出日】2024-07-30

(86)【国際出願番号】 EP2022083579

(87)【国際公開番号】W WO2023099434

(87)【国際公開日】2023-06-08

(31)【優先権主張番号】2112786

(32)【優先日】2021-12-01

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】510132347

【氏名又は名称】コミサリア ア レネルジ アトミク エ オウ エネルジ アルタナティヴ

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】ゲルバー シルヴァイン

(72)【発明者】

【氏名】ファウラー デイヴィッド

【テーマコード（参考）】

2H249

2K102

【Ｆターム（参考）】

2H249AA12

2H249AA55

2H249AA62

2K102AA21

2K102AA28

2K102BA07

2K102BB04

2K102BB08

2K102BD09

2K102CA28

2K102DA04

2K102DC08

2K102DD03

2K102EB08

2K102EB20

(57)【要約】

本発明は、導波路（５）と、主面に直交する垂直軸に沿って導波路（５）の上方に離れた位置に配置された回折格子（８）とによってそれぞれ形成された複数の光アンテナ（７）を含む光フェーズドアレイ送信機（１）に関する。導波路（５）は、所定の関数ｐに従って縦方向に変化する幅ｗ_ｃ＝ｐ（ｘ）を有し、回折格子（８）は、所定の関数ｑに従って縦方向に変化する周期構造の配列ピッチｑ（ｘ）を有する。関数ｐおよびｑは、光アンテナ（７）によって放射される光放射の近接場放射プロファイルＳ（ｘ）が所定の目標放射プロファイルＳ_ｃ（ｘ）に等しく、放射される光放射の局所放射角度θ（ｘ）が所定の縦方向に一定の目標放射角度θ_ｃに等しくなるように事前に定義される。
【選択図】図２Ｂ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光フェーズドアレイ送信機（１）の製造方法であって、
前記光フェーズドアレイ送信機は、
レーザ光源（２）に結合されるスプリッタ（３）と、
前記スプリッタ（３）に結合され、かつ、主面内の縦軸に沿って延び、光エレクトロニクス送信機（１）のアーム（４）を形成する複数の導波路（５）と、
前記アーム（４）内に配置された複数の移相器（６）および光アンテナ（７）、ここで各光アンテナ（７）は、対応する導波路（５）と、前記主面に直交する垂直軸に沿って前記導波路（５）の上方に離れた位置に配置される回折格子（８）とによって形成される、と
を備え、
各光アンテナ（７）によって放射される光放射の目標近接場放射プロファイルＳ_ｃ（ｘ）および目標放射角度θ_ｃと、前記光アンテナ（７）の構造構成Ｃｓ_ｒｅｆとを定義するステップ（１０）、ここで、Ｃｓ_ｒｅｆは、前記レーザ光源（２）からの光モードの伝送の光学特性を定義する前記導波路（５）の物理パラメータＰｐ_ｗｇの値、および前記光モードの回折の光学特性を定義する前記回折格子（８）の物理パラメータＰｐ_ｒの値を含む、と、
前記構造構成Ｃｓ_ｒｅｆを考慮して前記光アンテナ（７）から放射される光放射の放射角度θ（ｘ）が、前記目標放射角度θ_ｃに等しくなるように、前記導波路（５）の幅ｗ_ｃの関数として前記回折格子（８）の周期構造のピッチΛ_ｒの変化を表す関係Λ_ｒ＝ｆ（ｗ_ｃ）を決定するステップ（２０）と、
前記関係Λ_ｒ＝ｆ（ｗ_ｃ）および前記構造構成Ｃｓ_ｒｅｆを考慮して、前記導波路（５）の前記幅ｗ_ｃの関数として回折格子（８）の抽出率α_ｒの変化を表す関係α_ｒ＝ｇ（ｗ_ｃ）を決定するステップ（３０）と、
前記関係α_ｒ＝ｇ（ｗ_ｃ）および前記構造構成Ｃｓ_ｒｅｆを考慮して前記光アンテナ（７）から放射される光放射の近接場放射プロファイルＳ（ｘ）が、目標放射プロファイルＳ_ｃ（ｘ）に等しくなるように、前記導波路（５）の前記幅ｗ_ｃの縦方向の変化ｗ_ｃ（ｘ）を決定し、かつ、前記回折格子（８）の前記ピッチΛ_ｒの対応する縦方向の変化Λ_ｒ（ｘ）を、前記関係Λ_ｒ＝ｆ（ｗ_ｃ）に基づいて導出するステップ（４０）と、
前記光エレクトロニクス送信機（１）を製造するステップ（５０）、ここで、前記光エレクトロニクス送信機の前記光アンテナ（７）は、前記導波路（５）の前記幅ｗ_ｃの前記縦方向の変化ｗ_ｃ（ｘ）および前記回折格子（８）の前記ピッチΛ_ｒの前記縦方向の変化Λ_ｒ（ｘ）によって補完される基準構造Ｃｓ_ｒｅｆを有する、と
を含む、製造方法。

【請求項2】

前記関係Λ_ｒ＝ｆ（ｗ_ｃ）およびα_ｒ＝ｇ（ｗ_ｃ）を決定するステップは、所定の最小値ｗ_{ｃ，ｏｕｔ}から所定の最大値ｗ_ｃ，ｉｎまでの幅ｗ_ｃの範囲で実行される
請求項１に記載の製造方法。

【請求項3】

前記縦方向の変化ｗ_ｃ（ｘ）を求めるステップは、
所定の最大値ｗ_{ｃ，ｏｕｔ}と所定の最小値ｗ_ｃ，ｉｎとの間の幅ｗ_ｃにおける縦方向の変化ｗ_ｃ（ｘ）を表す指数ｎのべき関数を定義するステップと、
前記指数ｎの複数の値ｎ_（ｍ）について、前記導波路（５）の前記幅ｗ_ｃにおける縦方向の変化ｗ_ｃ＝ｐ_（ｍ）（ｘ）を決定し、前記回折格子（８）の前記ピッチΛ_ｒの対応する縦方向の変化Λ_ｒ＝ｑ_（ｍ）（ｘ）を導出するステップと、
対応する抽出率α_ｒにおける縦方向の変化α_ｒ（ｍ）（ｘ）を前記関係α_ｒ＝ｇ（ｗ_ｃ）に基づいて決定し、対応する放射プロファイルＳ_（ｍ）（ｘ）を決定するステップと、
前記目標放射プロファイルＳ_ｃ（ｘ）からの放射プロファイルＳ_{（ｍｏｐｔ）}（ｘ）の偏差が最小になる最適値ｎ_{（ｍｏｐｔ）}を、前記指数ｎの値ｎ_（ｍ）の中から決定するステップと
を含む、請求項２に記載の製造方法。

【請求項4】

前記導波路（５）の幅ｗ_ｃおよび前記回折格子（８）の前記ピッチΛ_ｒが縦方向の変化を示す前記光アンテナ（７）の部分の全長をＬ_ａとして、前記べき関数が、ｗ_ｃ（ｘ）＝ｗ_ｃ，ｉｎ＋（ｘ／Ｌ_ａ）^ｎ×（ｗ_ｃ，ｉｎ－ｗ_{ｃ，ｏｕｔ}）である
請求項３に記載の製造方法。

【請求項5】

レーザ光源（２）に結合されるスプリッタ（３）と、
前記スプリッタ（３）に結合され、主面内の縦軸に沿って延び、光エレクトロニクス送信機（１）のアーム（４）を形成する複数の導波路（５）と、
前記アーム（４）内に配置された複数の移相器（６）および光アンテナ（７）、ここで、各光アンテナ（７）は、対応する導波路（５）と、前記主面に直交する垂直軸に沿って、前記導波路（５）の上方に離れた位置に配置された回折格子（８）とによって形成される、と
を備え、
各光アンテナ（７）の長さの少なくとも一部にわたって、
前記導波路（５）が、所定の関数ｐに従って縦方向に変化する幅ｗ_ｃ＝ｐ（ｘ）を有し、
前記回折格子（８）が、所定の関数ｑに従って縦方向に変化する周期構造の配列ピッチΛ_ｒ＝ｑ（ｘ）を有し、
前記関数ｐおよびｑは、前記光アンテナ（７）によって放射される光放射の近接場放射プロファイルＳ（ｘ）が所定の目標放射プロファイルＳ_ｃ（ｘ）に等しく、前記放射される光放射の局所放射角度θ（ｘ）が、縦方向に一定の所定の目標放射角度θ_ｃに等しくなるように事前に定義される
ことを特徴とする光フェーズドアレイ送信機（１）。

【請求項6】

前記幅ｗ_ｃの縦方向の変化に関する関数ｐは減少関数であり、ピッチΛ_ｒの縦方向の変化に関する関数ｑは増加関数である
請求項５に記載の光エレクトロニクス送信機（１）。

【請求項7】

前記周期構造の各々は、前記光アンテナ（７）のすべての導波路（５）に面して延びる
請求項５または６に記載の光エレクトロニクス送信機（１）。

【請求項8】

前記導波路（５）および前記回折格子（８）は、シリコンベースのフォトニックチップ内に製造される
請求項５から７のいずれか１項に記載の光エレクトロニクス送信機（１）。

【請求項9】

前記回折格子（８）の周期構造の前記垂直軸に沿った垂直方向の寸法は、前記光アンテナ（７）の縦軸に沿って一定である
請求項５から８のいずれか１項に記載の光エレクトロニクス送信機（１）。

【請求項10】

前記回折格子（８）の周期構造は、前記縦軸に沿った横寸法とピッチΛ_ｒとの比として定義される、前記光アンテナ（７）の前記縦軸に沿って一定の充填率を有する
請求項５から９のいずれか１項に記載の光エレクトロニクス送信機（１）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の分野は、好ましくはフォトニクス・オン・シリコン・フォトニックチップ上に製造される光フェーズドアレイ送信機の分野である。本発明は、特に、ＬＩＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）の分野に適用可能である。

【背景技術】

【0002】

光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）送信機は、単色光放射を自由空間内で方向性を持って放射する光エレクトロニクスデバイスである。これらは、特に、光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）の分野に適用可能であるが、自由空間光通信、ホログラフィックスクリーン、および医療イメージングの分野にも適用可能である。

【0003】

図１Ａは、このような光エレクトロニクス送信機１の動作原理を概略的に示す。レーザ光源２は、光信号を送信し、この光信号は、パワースプリッタ３によって光エレクトロニクス送信機１のアーム４に分配される。各アーム４は、移相器６と、光アンテナとも呼ばれる基本送信機７とを含む。各光アンテナ７は、自由空間に光信号を送信し、次に、例えば回折により、光信号は干渉を介して結合して光放射を形成する。光放射は、特に、アーム４内を伝搬する光信号に移相器６によって印加される相対位相Δφによって決定される遠方場の放射パターンを有する。

【0004】

このような光エレクトロニクス送信機は、集積フォトニクスを使用して製造されることができ、すなわち、その様々な光コンポーネント（導波路、パワースプリッタ、光アンテナなど）は、同一のフォトニックチップ上に製造され、同一のフォトニックチップから製造される。この点に関して、図１Ｂは、Ｈｕｌｍｅらによる論文Ｆｕｌｌｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｈｙｂｒｉｄ ｓｉｌｉｃｏｎ ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｂｅａｍ ｓｃａｎｎｅｒ，Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ ２３（５），５８６１－５８７４（２０１５）に記載されているそのような光エレクトロニクス送信機１の一例を概略的かつ部分的に示している。この光エレクトロニクス送信機１は、レーザ光源２、ここではＩＩＩ－Ｖレーザ光源を含み、同一のフォトニックチップ上に製造される。したがって、それは、半導体レーザ光源２、パワースプリッタ３、導波路５、移相器６、およびアーム４に配置された光アンテナ７を含む。この例では、レーザ光源２は、ＩＩＩ－Ｖ材料を（ＳＯＩ）フォトニックチップ上に転写し、その後、利得媒体を形成するようにその材料を構成することによって製造される。

【0005】

さらに、遠方場において比較的発散しない光放射を形成するためには、特に、各光アンテナが、例えば１～数百ミクロン以上の長い長さにわたって伝送する必要がある。したがって、１つの解決策は、例えば、回折格子を導波路内ではなく、導波路から離れた場所、例えば、導波路の上方に生成することによって、光アンテナの抽出率を低減することであり、これにより、光学モードのエバネセント部分のみが回折格子の周期構造に敏感になる。

【0006】

この点に関して、Ｈａｎらによる論文Ｈｉｇｈｌｙ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｇｒａｔｉｎｇ ａｎｔｅｎｎａ ｆｏｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｈａｓｅｄ ａｒｒａｙ， Ｃｕｒｒｅｎｔ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，１８（２０１８）８２４－８２８には、回折格子が、シリコン導波路から上方に離れた場所に配置され、かつ、導波路を覆うクラッドの上面に形成される光アンテナの一例が記載されている。導波路および回折格子の寸法パラメータの値は、光アンテナに沿って一定であり、特に、寄生反射に関連する光損失を制限し、光アンテナの指向性を最適化するように選択される。

【0007】

さらに、Ｗａｎｇらによる論文Ｓｉｌｉｃｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ ａｓｓｉｓｔｅｄ １ｘ６４ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｈａｓｅｄ ａｒｒａｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ＳＯＩ ｐｌａｔｆｏｒｍ，Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ ２９（７），１０５１３－１０５１７（２０２１）には、回折格子が、シリコン導波路から上方に離れた場所に配置され、ここでは、シリコン窒化物からなり、かつ、シリコン酸化物からなる層に包まれた周期的なパッドによって形成される光アンテナの他の例が記載されている。この場合も、導波路および回折格子の寸法パラメータの値は、光アンテナに沿って一定である。

【0008】

しかし、光アンテナの導波路を循環する光モードは、一部が抽出されるにつれて、縦軸に沿って指数関数的に減少する光パワーＰ（ｘ）を有する。したがって、回折格子の抽出率α_ｒ（ｘ）が縦方向に一定でα_０に等しい場合、光アンテナから放射される光の近接場放射プロファイルＳ（ｘ）も、Ｓ（ｘ）～α_０×Ｐ（ｘ）の関係に従って、縦軸に沿って指数関数的に減少し、光放射の遠方場の放射パターンが劣化する可能性がある。

【0009】

したがって、光アンテナの有効伝送距離の減少を回避するために、抽出率を縦方向に調整し、回折格子の寸法パラメータの値を縦軸に沿って変化させることが一つの解決策となる。しかし、この方法では、回折格子の周期構造寸法が特に小さい、例えば１００ｎｍ以下の回折格子を製造することになり、フォトニクス・オン・シリコンなどの製造プロセスで通常使用される従来技術とほとんどまたは全く互換性がない。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

本発明は、従来技術の欠点を少なくとも部分的に改善することを目的とし、より詳細には、遠方場の光放射が比較的非発散であり、所定の、例えば一定またはガウス型の放射パターンを有する光フェーズドアレイ送信機を提供することを目的とする。この目的のために、各光アンテナは、所望の、例えば一定またはガウス型の近接場放射プロファイルＳ_ｃ（ｘ）を有し、縦方向で一定である所定の放射角θ_ｃに向けて光放射を放射するように設計され、過度に小さい寸法の回折格子を製造する必要がない。

【課題を解決するための手段】

【0011】

この目的のために、本発明の目的は、光フェーズドアレイ送信機を製造するためのプロセスであり、光フェーズドアレイ送信機は、レーザ光源に結合されるスプリッタと、前記スプリッタに結合され、かつ、主面内の縦軸に沿って延び、光エレクトロニクス送信機のアームを形成する複数の導波路と、前記アーム内に配置された複数の移相器および光アンテナ、ここで各光アンテナは、対応する導波路と、主面に直交する垂直軸に沿って導波路の上方に離れた位置に配置される回折格子とによって形成される、とを備える。

【0012】

プロセスは、
各光アンテナによって放射される光放射の目標近接場放射プロファイルＳ_ｃ（ｘ）および目標放射角度θ_ｃと、前記光アンテナの構造構成Ｃｓ_ｒｅｆを定義するステップ、ここで、Ｃｓ_ｒｅｆは、レーザ光源からの光モードの伝送の光学特性を定義する導波路の物理パラメータＰｐ_ｗｇの値、および光モードの回折の光学特性を定義する回折格子の物理パラメータＰｐ_ｒの値を含む、と、
前記構造構成Ｃｓ_ｒｅｆを考慮して前記光アンテナから放射される光放射の放射角度θ（ｘ）が、前記目標放射角度θ_ｃに等しくなるように、前記導波路の幅ｗ_ｃの関数として前記回折格子の周期構造のピッチΛ_ｒの変化を表す関係Λ_ｒ＝ｆ（ｗ_ｃ）を決定するステップと、
前記関係Λ_ｒ＝ｆ（ｗ_ｃ）および前記構造構成Ｃｓ_ｒｅｆを考慮して、前記導波路の前記幅ｗ_ｃの関数として前記回折格子の抽出率α_ｒの変化を表す関係α_ｒ＝ｇ（ｗ_ｃ）を決定するステップと、
前記関係α_ｒ＝ｇ（ｗ_ｃ）および前記構造構成Ｃｓ_ｒｅｆを考慮して前記光アンテナから放射される前記光放射の近接場放射プロファイルＳ（ｘ）が、前記目標放射プロファイルＳ_ｃ（ｘ）に等しくなるように、前記導波路の前記幅ｗ_ｃの縦方向の変化ｗ_ｃ（ｘ）を決定し、かつ、前記回折格子の前記ピッチΛ_ｒの対応する縦方向の変化Λ_ｒ（ｘ）を、前記関係Λ_ｒ＝ｆ（ｗ_ｃ）に基づいて導出するステップと、
前記光エレクトロニクス送信機を製造するステップ、ここで、前記光エレクトロニクス送信機の前記光アンテナは、前記導波路の前記幅ｗ_ｃの前記縦方向の変化ｗ_ｃ（ｘ）および前記回折格子の前記ピッチΛ_ｒの前記縦方向の変化Λ_ｒ（ｘ）によって補完される基準構造構成Ｃｓ_ｒｅｆを有する、と
を含む。

【0013】

この光エレクトロニクス送信機のいくつかの好ましいが限定的ではない態様は、以下のとおりである。

【0014】

前記関係Λ_ｒ＝ｆ（ｗ_ｃ）およびα_ｒ＝ｇ（ｗ_ｃ）を決定するステップは、所定の最小値ｗ_{ｃ，ｏｕｔ}から所定の最大値ｗ_ｃ，ｉｎまでの幅ｗ_ｃの範囲で実行されることができる。

【0015】

前記縦方向の変化ｗ_ｃ（ｘ）を求めるステップは、所定の最大値ｗ_{ｃ，ｏｕｔ}と所定の最小値ｗ_ｃ，ｉｎとの間の幅ｗ_ｃにおける前記縦方向の変化ｗ_ｃ（ｘ）を表す指数ｎのべき関数を定義するステップと、前記指数ｎの複数の値ｎ_（ｍ）について、前記導波路の前記幅ｗ_ｃにおける縦方向の変化ｗ_ｃ＝ｐ_（ｍ）（ｘ）を決定し、前記回折格子の前記ピッチΛ_ｒの対応する縦方向の変化Λ_ｒ＝ｑ_（ｍ）（ｘ）を導出するステップと、対応する抽出率α_ｒにおける縦方向の変化α_ｒ（ｍ）（ｘ）を前記関係α_ｒ＝ｇ（ｗ_ｃ）に基づいて決定し、対応する放射プロファイルＳ_（ｍ）（ｘ）を決定するステップと、前記目標放射プロファイルＳ_ｃ（ｘ）からの放射プロファイルＳ_{（ｍｏｐｔ）}（ｘ）の偏差が最小になる最適値ｎ_{（ｍｏｐｔ）}を、前記指数ｎの値ｎ_（ｍ）の中から決定するステップとを含むことができる。

【0016】

前記導波路の幅ｗ_ｃおよび前記回折格子の前記ピッチΛ_ｒが縦方向の変化を示す前記光アンテナの部分の全長をＬ_ａとして、前記べき関数が、ｗ_ｃ（ｘ）＝ｗ_ｃ，ｉｎ＋（ｘ／Ｌ_ａ）^ｎ×（ｗ_ｃ，ｉｎ－ｗ_{ｃ，ｏｕｔ}）であることができる。

【0017】

本発明はまた、レーザ光源に結合されるスプリッタと、前記スプリッタに結合され、主面内の縦軸に沿って延び、光エレクトロニクス送信機のアームを形成する複数の導波路と、前記アーム内に配置された複数の移相器および光アンテナ、ここで各光アンテナは、対応する導波路と、前記主面に直交する垂直軸に沿って、前記導波路の上方に離れた位置に配置された回折格子とによって形成される、とを備えた光エレクトロニクス送信機に関する。

【0018】

本発明によれば、各光アンテナの長さの少なくとも一部にわたって、前記導波路が、所定の関数ｐに従って縦方向に変化する幅ｗ_ｃ＝ｐ（ｘ）を有し、前記回折格子が、所定の関数ｑに従って縦方向に変化する周期構造の配列ピッチΛ_ｒ＝ｑ（ｘ）を有し、前記関数ｐおよびｑは、前記光アンテナによって放射される光放射の近接場放射プロファイルＳ（ｘ）が所定の目標放射プロファイルＳ_ｃ（ｘ）に等しく、前記放射される光放射の局所放射角度θ（ｘ）が縦方向に一定の所定の目標放射角度θ_ｃに等しくなるように事前に定義される。

【0019】

前記幅ｗ_ｃの縦方向の変化に関する関数ｐは減少関数であり、ピッチΛ_ｒの縦方向の変化に関する関数ｑは増加関数であることができる。

【0020】

前記周期構造の各々は、前記光アンテナのすべての導波路に面して延びることができる。

【0021】

前記導波路および前記回折格子は、シリコンベースのフォトニックチップ内に製造されることができる。

【0022】

前記回折格子の周期構造は、前記縦軸に沿った前記周期構造の横寸法とピッチΛ_ｒの比として定義される、前記光アンテナの前記縦軸に沿って一定の充填率を有することができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

本発明の他の態様、目的、利点および特徴は、本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明を読むことによってより明確になり、この説明は、非限定的な例として、添付の図面を参照して与えられる。

【図1A】図１Ａは、先行技術の一例による光フェーズドアレイ送信機の既に説明された概略図および部分図である。

【図1B】図１Ｂは、先行技術の一例による集積フォトニクスを使用して製造されたそのような光エレクトロニクス送信機の既に説明された概略図および部分平面図である。

【図2A】図２Ａおよび２Ｂは、一実施形態による光エレクトロニクス送信機の光アンテナの縦の断面の概略図および部分平面図であり、光アンテナは、導波路の幅および回折格子のピッチの縦方向の変化を示すアポダイズされた部分を含む。

【図2B】図２Ａおよび２Ｂは、一実施形態による光エレクトロニクス送信機の光アンテナの縦の断面の概略図および部分平面図であり、光アンテナは、導波路の幅および回折格子のピッチの縦方向の変化を示すアポダイズされた部分を含む。

【図2C】図２Ｃは、代替的な一実施形態による光エレクトロニクス送信機の光アンテナの概略的な部分平面図である。

【図3】図３は、図２Ｂと同様の光エレクトロニクス送信機を製造するためのプロセスのステップを示すフローチャートである。

【図4A】図４Ａは、光アンテナによって放射される光放射の近接場放射角度θ（ｘ）が目標値θｃに等しくなるような、導波路の幅ｗ_ｃの関数としての回折格子のピッチΛ_ｒの変化を表す関係Λ_ｒ＝ｆ（ｗ_ｃ）の一例を示す。

【図4B】図４Ｂは、光アンテナによって放射される光放射の近接場放射角度θ（ｘ）が目標値θ_ｃに等しく、近接場放射プロファイルＳ（ｘ）が目標放射プロファイルＳ_ｃ（ｘ）に等しくなるような、導波路の幅ｗ_ｃの関数としての回折格子の抽出率α_ｒの変化を表す関係α_ｒ＝ｆ（ｗ_ｃ）の一例を示す。

【図4C】図４Ｃは、アポダイズされない部分が続くアポダイズされた部分を含む光アンテナについての放射された光放射の放射プロファイルＳ（ｘ）、および目標放射プロファイルＳ_ｃ（ｘ）の一例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0024】

図および説明の残りの部分において、同じ参照は、同一または類似の要素を表す。さらに、図をより明確にするために、様々な要素は縮尺で示されていない。さらに、様々な実施形態および変形例は、相互に排他的ではなく、互いに組み合わせることができる。別段の指示がない限り、用語「実質的に」、「約」、「程度」は、１０％以内、好ましくは５％以内を意味する。さらに、用語「．．．と．．．の間」などは、別段の指示がない限り、境界が含まれることを意味する。

【0025】

本発明は、複数の光アンテナを含む光フェーズドアレイ送信機に関し、複数の光アンテナは、それぞれ、導波路と、導波路から上方に離れた位置に配置された回折格子とによって形成される。光アンテナは、好ましくは、フォトニクス・オン・シリコン光チップ上に製造される。光エレクトロニクス送信機は、所定の、例えば一定またはガウス型の遠方場の放射パターンを有し、所定の放射角度に向けて、少なくとも光アンテナに平行な垂直面において比較的小さな発散を示す光放射を放射するように設計される。

【0026】

遠方場の放射パターンとは、光エレクトロニクス送信機から放射される遠方場の光の放射強度の、放射角度に沿った主軸を中心とした角度分布である。遠方場（またはフラウンホーファーゾーン）は、光アンテナの主寸法（ここでは縦軸に沿った長さＬ_ｔｏｔ）の二乗と光放射の波長λとの比よりも大きい距離Ｄに対応し、より正確には、Ｄ＞２Ｌ_ｔｏｔ ^２／λである。

【0027】

光エレクトロニクス送信機が、遠方場の放射パターンおよび放射角度が期待されるものに対応する光放射を放射するために、光アンテナは、所定の目標プロファイルおよび角度に等しい近接場放射プロファイルおよび放射角度を有する光放射を放射するように設計される。説明の残りの部分では、光エレクトロニクス送信機の遠方場放射パターンおよび光アンテナの近接場放射プロファイルＳ（ｘ）（または放射パターン）を参照し、ここで、ｘは、光アンテナに関連する縦方向の横座標である。さらに、θ（ｘ）は、光アンテナによって放射される光放射の垂直軸Ｚに対する局所放射角度を示すためにも使用される。

【0028】

ここで、一実施形態による光エレクトロニクス送信機１の基本的な光コンポーネントをより詳細に説明するために、上で簡単に説明した図１Ｂを再度参照する。

【0029】

ここで、説明の残りの部分では、平面ＸＹがフォトニックチップの平面に平行であり、軸Ｘが光アンテナ７の縦軸に沿うように配置され、軸Ｚが光エレクトロニクス送信機１によって光放射が放射される自由空間を向くように配置される、ダイレクト直交座標系ＸＹＺが定義される。用語「下」および「上」は、キャリア基板１０（図２Ａ参照）からの＋Ｚ方向の距離に関連する。

【0030】

この実施形態では、光エレクトロニクス送信機１は、例えば、フォトニクス・オン・シリコン技術として知られる文脈において、フォトニックチップ上に集積される。フォトニック集積回路（ＰＩＣ）とも呼ばれるフォトニックチップは、キャリア基板１０を含み、キャリア基板から、互いに光学的に結合される能動フォトニック素子（変調器、ダイオード等）および受動フォトニック素子（導波管、マルチプレクサまたはデマルチプレクサなど）を生成することが可能である。フォトニクス・オン・シリコンの文脈では、キャリア基板１０および光コンポーネントはシリコンから作られる。したがって、図２に示すキャリア基板１０は、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板であってもよい。したがって、この例では、導波路５はシリコンでできている。

【0031】

しかし、意図された用途および光放射の波長に応じて、他の多くの技術プラットフォームを使用することができる。したがって、導波路５は、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ドープされたシリカなどからできていてもよい。

【0032】

光エレクトロニクス送信機１は、波長λのパルス状または連続的な単色光信号を送信するように設計されたレーザ光源２を含む。例示として、波長は１５５０ｎｍに等しくてもよい。レーザ光源２は、特に、平面ＺＸの垂直軸Ｚに対して光アンテナ７によって放射される光放射によって形成される放射角θを変更するために、波長可変であることができる。レーザ光源２は、ＩＩＩ／Ｖ化合物でできた利得媒体によって形成される、フォトニックチップの表面に結合されたハイブリッド源であることができる。したがって、ブラッグミラーのような光反射器を、利得媒体に結合された集積導波路中に製造することができる。変形例として、フォトニックチップは、レーザ光源２を含まなくてもよく、レーザ光源２は、離れており、したがって、フォトニックチップの表面に接合されない。そして、レーザ光源２は、特にグレーティングカプラによって、フォトニックチップの集積導波路に結合されてもよい。

【0033】

パワースプリッタ３は、レーザ光源２の出力に結合される。したがって、パワースプリッタ３は、１つの入力と複数の出力とを含み、各出力は光エレクトロニクス送信機１の導波路に結合される。導波路５の数は、光エレクトロニクス送信機１のアーム４の数に対応する。この例では、パワースプリッタ３は、縦続配置された複数のＭＭＩ（マルチモード干渉計）スプリッタによって形成されるが、他の種類の光学部品を使用してもよい。

【0034】

光エレクトロニクス送信機１は、複数の導波路５を含み、複数の導波路は、パワースプリッタ３の出力の１つに結合された第１の端部と反対側の第２の端部との間に延びる。したがって、各導波路５は、パワースプリッタ３から光信号を受信し、この光信号が光アンテナ７に伝搬することを許容するように設計される。

【0035】

また、光エレクトロニクス送信機１は、アーム４に配置された複数の移相器６を含む。より正確には、導波路５は、対象とする導波路５内を循環する光信号の位相を修正するように設計された少なくとも１つの移相器に結合され、したがって、隣接する導波路５内を循環する光モード間の位相差Δφつまり相対位相を生成するように設計される。移相器６は、パワースプリッタ３と光アンテナ７との間に配置される。各導波路５は、移相器を備えていてもよいし、例えば、２つの導波路５のうちの１つの導波路５のように、いくつかの導波路５のみが移相器を備えてもよい。また、基準導波路５は、移相器を備えていなくてもよい。

【0036】

移相器６は、電気屈折移相器であっても、熱光学移相器であってもよい。いずれの場合も、対象とする導波路５の屈折率ｎ_ｃを変更することによって、位相が変更される。屈折率は、電気屈折移相器の場合は自由キャリアの密度を変更することによって、熱光学移相器の場合は印加温度を変更することによって変更されてもよい。

【0037】

移相器６は、平面ＹＺ（光アンテナ７の縦軸Ｘに直交する）における垂直軸Ｚに対する主放射軸の決定されたゼロでない角度Φを得るように、導波路５内を伝搬する光学モードに所定の相対位相値Δφを適用するように設計される。しかし、異なる遠方場パターンを得るため、または位相誤差を考慮して補償するために、相対位相Δφは、導波路５間で同一ではない可能性がある。これらの位相誤差は、光エレクトロニクス送信機１の特定の構成要素の経時劣化、製造プロセスにおける不均一性、製造プロセスのゼロでない公差、光エレクトロニクス送信機１の環境の影響（例えば、基本送信機を覆うパッケージ要素の潜在的影響）から生じる可能性がある。

【0038】

移相器６は、好ましくは、制御モジュール（図示せず）に接続される。移相器６は、制御モジュールによって送信される制御信号に応じて、さまざまな導波路５を循環する光信号における所定の相対位相Δφを生成することができる。このような制御モジュールの一例は、Ｈｕｌｍｅらによる論文Ｆｕｌｌｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｈｙｂｒｉｄ ｓｉｌｉｃｏｎ ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｂｅａｍ ｓｃａｎｎｅｒ，Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ ２３（５），５８６１－５８７４（２０１５）またはＷＯ２０２１／１３０１４９Ａ１に記載されている。

【0039】

光エレクトロニクス送信機１は、移相器６の下流に、アーム４当たり１つの光アンテナ７の割合で配置された複数の光アンテナ７を含む。光アンテナ７によって送信された光信号間の相対位相Δφは、特に、光エレクトロニクス送信機１の平面ＹＺにおける垂直軸Ｚに対し、遠方場における光ビームの主放射軸によって形成される角度Φの値を決定する。

【0040】

図２Ａおよび図２Ｂは、一実施形態による光アンテナ７の１つの縦の断面（図２Ａ）および平面（図２Ｂ）における部分的な概略図であるである。各光アンテナ７は、導波路５と、垂直軸Ｚに沿って導波路５から上方に離れた位置に配置された回折格子８とによって形成される。

【0041】

本発明によれば、光アンテナ７の少なくとも一部の長さにわたって、導波路５は、所定の関数ｐに従って、その幅ｗ_ｃの縦方向の変化ｗ_ｃ＝ｐ（ｘ）を示し、回折格子８は、所定の関数ｑに従って、周期構造の配列ピッチΛ_ｒの縦方向の変化Λｒ＝ｑ（ｘ）を示す。

【0042】

関数ｐおよびｑは、光アンテナ７が、近接場放射プロファイルＳ（ｘ）が所定の目標放射プロファイルＳ_ｃ（ｘ）に等しく、垂直軸Ｚに対して（および方向＋Ｚに沿って）、縦方向において一定である所定の目標値θ_ｃに等しい局所放射角度θ（ｘ）に向けられた光放射を放射するように予め定義される。

【0043】

これらの縦方向の変化ｗ_ｒ（ｘ）およびΛ_ｒ（ｘ）を含む光アンテナ７の領域は、つまり光アンテナ７のアポダイズされた部分である。このアンテナは、上流および／または下流に、導波路５の幅ｗ_ｃおよび回折格子８のピッチΛ_ｒが一定のアポダイズされない部分を含んでもよい。また、光アンテナ７の全長をＬ_ｔｏｔとし、アポダイズされた部分の長さをＬ_ａとする。

【0044】

導波路５は、導波路５による光モードの伝達特性を表す、したがって、横断面ＹＺにおける光モードの強度の空間分布を表す物理パラメータＰｐ_ｗｇによって規定される。この物理パラメータＰｐ_ｗｇは、導波路５の屈折率ｎ_ｃおよびクラッドの屈折率ｎ_ｇと、垂直軸Ｚに沿った厚さｅ_ｃおよびＹ軸に沿った幅ｗ_ｃなどの導波路５の寸法パラメータである。

【0045】

導波路５および回折格子８は、ここではフォトニクス・オン・シリコン技術を用いてフォトニックチップ内に製造される。このチップは、シリコンからなるキャリア基板１０と、導波路のクラッド形成に寄与する下部埋め込み酸化膜（ＢＯＸ）層１１と、シリコン層内に形成された導波路５と、酸化シリコンからなるスペーサ層１２と、酸化シリコンからなる充填層１４に包まれた、例えば窒化シリコンからなる周期パッド１３とからなる。

【0046】

好ましくは、導波路５（すなわち導波路５のコア）の屈折率ｎ_ｃおよびその厚さｅ_ｃは、光アンテナ７の全長Ｌ_ｔｏｔにわたって一定である。一方、アポダイズされた部分における導波路５は、上流側の値ｗ_ｃ，ｉｎと下流側の値ｗ_{ｃ，ｏｕｔ}との間で幅ｗ_ｃの縦方向の変化ｗ_ｃ（ｘ）を示す。この幅ｗ_ｃは、所定の関数ｐに従って、ｗ_ｃ＝ｐ（ｘ）のように縦に変化する。例えば、ガウシアン目標プロファイルＳ_ｃ（ｘ）の場合、関数ｐは単調減少関数である。

【0047】

幅ｗ_ｃのこの縦方向の変化ｗ_ｃ（ｘ）は、光モードの実効屈折率が導波路５の横の寸法に依存する限り、導波路５を循環する光モードの実効屈折率ｎ_ｅｆｆの縦方向の変化ｎ_ｅｆｆ（ｘ）をもたらす。一般に、導波路によって支持される光学モードに関する実効屈折率ｎ_ｅｆｆは、伝搬定数βとλ／２πの積として定義される。伝搬定数βは、光学モードの波長λと、導波路の特性（屈折率ｎ_ｃおよびｎ_ｇ、および横の寸法ｅ_ｃおよびｗ_ｃ）に依存する。光学モードの実効屈折率ｎ_ｅｆｆは、ある意味で、光学モードによって「見られる」導波路の屈折率に対応する。それは通常、導波路の屈折率ｎ_ｃとクラッドの屈折率ｎ_ｇの間にある。

【0048】

したがって、導波路５の幅ｗ_ｃの縦方向の変化ｗ_ｃ（ｘ）は、実効屈折率ｎ_ｅｆｆの縦方向の変化ｎ_ｅｆｆ（ｘ）を引き起こし、したがって、縦軸Ｘに沿った光学モードの空間分布を変更し、それによって、抽出率と放射角度の両方の観点で、光学モードのエバネセント部分に対する回折格子８の局所的な影響を決定することに寄与する。実際、この点に関して、回折格子８による光放射の放出角度θ（ｘ）は、次の関係によって決定され得ることを想起すべきである。

【数1】

ここで、ｍは回折次数である。

【0049】

したがって、目標値θ_ｃと同じ放射角度θ（ｘ）を縦軸Ｘに沿って一定に保つためには、回折格子８のピッチΛ_ｒの縦方向の変化Λ_ｒ（ｘ）を定義することも重要であると考えられる。

【0050】

したがって、光アンテナ７は、導波路５に直接生成されるのではなく、垂直軸Ｚに沿って上方に離れた位置に配置された回折格子８を備えている。したがって、回折格子は、導波路から、導波路５の上面と回折格子８の周期構造の下面との間の距離として定義されるゼロでない距離ｄ_ｒだけ離れている。なお、この距離ｄ_ｒは０であってもよい。いずれにしても、回折格子８は、例えば、その局所的な部分エッチングによって導波路５内に生成されるわけではない。

【0051】

回折格子８は、縦軸Ｘに沿う導波路５に沿って配置された周期構造によって形成される。様々なタイプの構造が可能である。回折格子８が上記のＷａｎｇ ２０２１のものと同じタイプであるこの例では、周期構造は、高屈折率の材料、ここでは窒化シリコン、のパッド１３によって形成され、パッドは、低屈折率の材料（導波路５を取り囲むクラッドの材料と同一であり、ここでは酸化シリコンでできている）で満たされたスルーノッチによって互いに分離される。ノッチは、ここではスルーノッチであるが、そうでない場合もある。変形例として、回折格子８は、上記のＨａｎ ２０１８のものと同じタイプであってもよく、すなわち、導波路５のクラッド層の上面に形成されたノッチによって形成されるタイプであってもよい。

【0052】

回折格子８は、光学モードのエバネセント部分の回折（したがって、抽出）を表す物理パラメータＰｐ_ｒ、すなわち導波路５に対する回折格子８の間隔ｄ_ｒ、構造の屈折率、すなわち窒化シリコンパッド１３についてのｎ_ｒおよび充填層１４の材料についてのｎ_ｍｒ、パッド１３の厚さｅ_ｒ、縦軸Ｘに沿ったパッド１３の幅ｗ_ｒ、ピッチΛ_ｒ、および幅ｗ_ｒとピッチΛ_ｒとの間の比として定義される充填係数ｆｆ_ｒ＝ｗ_ｒ／Λ_ｒ、によって定義される。

【0053】

好ましくは、パッド１３の屈折率ｎ_ｒ、厚さｅ_ｒ、および幅ｗ_ｒは、光アンテナ７の全長Ｌ_ｔｏｔにわたって一定である。同様に、ノッチはスルーノッチのままである。ここで、充填率ｆｆ_ｒは一定であるが、縦方向の変化を示すこともある。一方、アポダイズされた部分の回折格子８は、ピッチΛ_ｒの上流側の値Λ_ｒ，ｉｎと下流側の値Λ_{ｒ，ｏｕｔ}の間で縦方向の変化Λ_ｒ（ｘ）を示す。従って、ピッチΛ_ｒは、Λ_ｒ＝ｑ（ｘ）となるように予め定められた関数ｑに従って縦方向に変化する。例えば、ガウシアン目標プロファイルＳ_ｃ（ｘ）の場合、関数ｑは単調増加関数である。ピッチΛ_ｒの縦方向の変化Λ_ｒ（ｉ）は、１からＭまで変化する指数ｉを用いて離散化された形で表すことができ、ここで、Ｍはアポダイズされた部分における回折格子８の周期数である。

【0054】

回折格子８は、光モード、ここではそのエバネセント部分のみに小さな影響を与えるように、導波路５から距離ｄ_ｒに位置し、この距離ｄ_ｒはゼロまたは非ゼロである。これは、放射強度または散乱強度とも呼ばれる抽出率αを有する。Ｚｈａｏらによる論文Ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ａｐｏｄｉｚｅｄ ｇｒａｔｉｎｇ ｃｏｕｐｌｅｒｓ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｒｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｖｏｌ．３８，ｎｏ．１６，ｐｐ．４４３５－４４４６，２０２０に示されているように、放射プロファイルＳ（ｘ）を定義する抽出された局所光パワーは、Ｓ（ｘ）～α（ｘ）×Ｐ（ｘ）の関係を通じて、光モードの局所光パワーＰ（ｘ）（ここではそのエバネセント部分）と抽出強度α（ｘ）に依存する。

【0055】

光アンテナ７は互いに同一である。これらはすべて、導波路５の物理パラメータＰｐ_ｗｇ（従って縦方向の変化ｗ_ｃ（ｘ））および回折格子８の物理パラメータＰｐ_ｒ（従って縦方向の変化Λ_ｒ（ｘ））によって形成される同じ基準構造構成Ｃｓ_ｒｅｆを有する。光アンテナ７は、軸Ｙに沿って横方向に、互いに平行に配置される。これらは、好ましくはλ／２から２λの間の距離だけ互いに離間される。参考のために、光アンテナ７の数は、平面ＹＺ内の遠方場における光放射の発散を制限するために、約１０から約１万の範囲であってもよい。

【0056】

このようにして、アーム４内を循環する光信号は、光アンテナ７による回折によって自由空間に進行的に伝送され、各光アンテナ７によって放射された光放射は、目標放射プロファイルＳ_ｃ（ｘ）および縦軸Ｘに沿って一定である目標放射角度θ_ｃを示す。放射された光放射は、自由空間内を伝搬し、干渉によって再結合し、したがって主放射軸の周りの角度分布が決定され、かつ、光エレクトロニクス送信機１の遠方場放射パターンを規定する光エレクトロニクス送信機１によって放射された光放射を遠方場で形成する。

【0057】

したがって、光エレクトロニクス送信機１は、少なくとも平面ＸＺにおいて比較的小さな発散を示すことができ、所定の、例えば一定またはガウシアンの放射パターンを示すことができる遠方場光放射を放射する。したがって、これは、各光アンテナ７が、導波路５から上方に離れた位置に配置された回折格子８を含むという事実によって達成され、それによって、導波路５内を循環する光モードのエバネセント部分のみに影響を与えながら抽出率α_ｒを低減することができ、したがって、光アンテナ７の伝送長を増大させることができる。さらに、例えば、Ｍｅｋｉｓらによる論文Ａ Ｇｒａｔｉｎｇ－Ｃｏｕｐｌｅｒ－Ｅｎａｂｌｅｄ ＣＭＯＳ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｐｌａｔｆｏｒｍ，ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｖｏｌ．１７，ｎｏ．３，ｐｐ．５９７－６０８，Ｍａｙ－Ｊｕｎｅ ２０１１に示されているように、著者らが周期構造の寸法のみを修正する従来技術のアポダイズされた回折格子とは異なり、抽出率α_ｒの局所値は、導波路５の幅ｗ_ｃによって容易に調整されることができる。最後に、導波路５の幅ｗ_ｃおよび少なくとも回折格子８のピッチΛ_ｒを縦方向に変化させることによって、周期構造の寸法制約を抑制することができ、この寸法制約は、特に小さな寸法（パッド１３および／またはノッチの幅ｗ_ｒ）をもたらす可能性があり、例えば１００ｎｍより小さく、したがって、例えばフォトニクス・オン・シリコンの製造プロセスで通常使用される従来の技術とほとんど、または全く互換性がない。

【0058】

図２Ｃは、実施形態の一変形例による光エレクトロニクス送信機１の光アンテナ７の平面図である。この例では、回折格子８は同じパッド１３を共有している。言い換えれば、回折格子８のパッド１３は、光アンテナ７の導波路５に面して連続的に延びている。また、導波路５は、図２Ｂに示すものとは異なる形状の縦方向の変化ｗ_ｃ（ｘ）を示す。

【0059】

図３は、一実施形態による光エレクトロニクス送信機１の製造プロセスのフローチャートである。

【0060】

ステップ１０では、各光アンテナ７から放射される光の目標近接場放射プロファイルＳ_ｃ（ｘ）と目標放射角度θ_ｃを定義する。例えば、放射プロファイルＳ_ｃ（ｘ）はガウシアンである。また、目標放射角度θ_ｃは、縦軸Ｘの任意の値ｘに対して一定である。ここでは、光モードが、例えば１５５０ｎｍに等しい波長λを有するものとする。

【0061】

また、光アンテナ７については、同一の基準構成Ｃｓ_ｒｅｆが定義されている。この構成Ｃｓ_ｒｅｆは、導波路５による光モードの透過の光学特性を規定する導波路５の物理パラメータＰｐ_ｗｇ、すなわち、導波路５およびクラッドの屈折率ｎ_ｃおよびｎ_ｇ、ならびに、導波路５の厚さｅ_ｃの値からなり、Ｐｐ_ｗｇ＝｛ｎ_ｃ，ｎ_ｇ，ｅ_ｃ｝となる。例えば、波長λ１．５５μｍにおいて、導波路５はシリコン製で屈折率ｎ_ｃ＝３．４８、クラッドはＳｉＯ_２製で屈折率ｎ_ｇ＝１．４５であってもよい。また、ここでは、導波路５は、２２０ｎｍに等しい一定の厚さｅ_ｃを有する。これらの物理パラメータＰｐ_ｗｇのリストは、後述する導波路５の幅ｗ_ｃの縦方向の変化ｗ_ｃ（ｘ）により補完される。

【0062】

また、構造構成Ｃｓ_ｒｅｆは、回折格子８による光学モードの回折の光学特性を規定する回折格子８の物理パラメータＰｐ_ｒの値を含んでいる。物理パラメータＰｐ_ｒは、高屈折率のパッド１３の屈折率ｎ_ｒ、ここでは窒化シリコンの場合は２．０、充填材料の屈折率ｎ_ｍｒ、ここではＳｉＯ_２の場合は１．４５、パッド１３の厚さｅ_ｒ、例えば４００ｎｍ、導波路５との間隔ｄ_ｒ、例えば２００ｎｍを含んでいる。充填係数ｆｆ_ｒは、縦軸Ｘに沿って一定であり、ここでは０．５である。後でピッチΛの縦方向の変化Λ_ｒ（ｘ）がわかれば、充填係数ｆｆによってパッド１３の幅ｗ_ｒを決定することができる。これらの物理パラメータＰｐ_ｒのリストは、後で決定される回折格子８のピッチΛ_ｒの縦方向の変化Λ_ｒ（ｘ）によって補完される。

【0063】

ステップ２０では、構造構成Ｃｓ_ｒｅｆを考慮して縦軸Ｘに沿ったすべてのｘの値について局所放射角θが目標放射角θ_ｃに等しくなるように、回折格子８のピッチΛ_ｒの変化を導波路５の幅ｗ_ｃの関数として表す関係Λ_ｒ＝ｆ（ｗ_ｃ）を決定する。

【0064】

このため、光アンテナ７の複数の三次元有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）シミュレーションを実行する。各シミュレーションにおいて、光アンテナ７は、基準構造構成Ｃｓ_ｒｅｆと、幅ｗ_ｃとピッチΛ_ｒの所与の一対の定数値を有する。したがって、光アンテナ７は、幅ｗ_ｃまたはピッチΛ_ｒの縦方向の変化を示さない（アポダイズされない）。各シミュレーションにおいて、シミュレートされた光アンテナ７の放射角θの値が決定される。

【0065】

これにより、幅ｗ_ｃの様々な値に対する、例えば、ピッチΛ_ｒの関数としてのシミュレートされた光アンテナ７の放射角θの関係が得られる。次に、シミュレートされた放射角θが目標値θ_ｃに等しい場合について、光アンテナ７が目標放射角θ_ｃで光放射を放射する関係Λ_ｒ＝ｆ（ｗ_ｃ）が得られる。

【0066】

この点に関し、図４Ａは、基準構造構成Ｃｓ_ｒｅｆが上記のように定義され、シミュレートされた光アンテナの放射角θが目標値θ_ｃここでは８°に等しいときの導波路５の幅ｗ_ｃに対する回折格子８のピッチΛ_ｒの変化の一例を示している。シミュレーションは、幅ｗ_ｃの最小値、ここでは３５０ｎｍから、最大値、ここでは６００ｎｍまでの範囲を走査するように行われる。

【0067】

ステップ３０では、基準構造構成Ｃｓ_ｒｅｆと、先に求めた関係Λ_ｒ＝ｆ（ｗ_ｃ）（従って、出射角θ（ｘ）は目標値θ_ｃに等しい）を考慮して、導波路５の幅ｗ_ｃに対する回折格子８の抽出率α_ｒの変化を表す関係式α_ｒ＝ｇ（ｗ_ｃ）が決定される。

【0068】

このため、光アンテナ７の複数の三次元有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）シミュレーションが行われる。各シミュレーションにおいて、光アンテナ７は、基準構造構成Ｃｓ_ｒｅｆと幅ｗ_ｃの定数値を有し、そこからΛ_ｒ＝ｆ（ｗ_ｃ）の関係に基づいて対応するピッチΛ_ｒの値が導出される。したがって、光アンテナ７は、幅ｗ_ｃやピッチΛ_ｒにおける縦方向の変化を示さず（アポダイズされていない）、対応する放射角が目標値θ_ｃに等しいことが分かる。各シミュレーションにおいて、シミュレートされた光アンテナ７の抽出率α_{ｒ，ｓｉｍ}の値、すなわち回折した光モードの強度の値と導波路５に導入される光モードの強度の値との比が求められる。

【0069】

これにより、シミュレートされた光アンテナ７の抽出率α_ｒの幅ｗ_ｃの関数としての関係α_ｒ＝ｇ（ｗ_ｃ）が与えられ、ここで、ピッチΛ_ｒが関係Λ_ｒ＝ｆ（ｗ_ｃ）に従い、光アンテナ７が目標放射角θ_ｃで光放射を放射する。

【0070】

この点に関して、図４Ｂは、導波路５の幅ｗ_ｃの関数としての回折格子８の抽出率α_ｒ（ここでは１－α_ｒ）の変化の一例を示しており、ここで、基準構造構成Ｃｓ_ｒｅｆは上記で定義され、シミュレートされた光アンテナの放射角度θは、８°に等しい目標値θ_ｃに等しいものとする。シミュレーションは、３５０ｎｍから６００ｎｍの長さｗ_ｃの範囲で行われる。

【0071】

ステップ４０では、放射プロファイルＳ（ｘ）が目標放射プロファイルＳ_ｃ（ｘ）に等しくなるような抽出率α_ｒの縦方向の変化α_ｒ（ｘ）をもたらす、導波路５の幅ｗ_ｃの縦方向の変化ｗ_ｃ（ｘ）が決定される。

【0072】

この目的のために、理論的アプローチと呼ばれるものでは、放射プロファイルＳ（ｘ）が目標放射プロファイルＳ_ｃ（ｘ）に等しい目標抽出率α_ｒ，ｃの縦方向の変化α_ｒ，ｃ（ｘ）を決定することが出発点である。上記のＺｈａｏ ２０２０の記事に記載されているものと同じまたは類似の理論的関係、すなわち下式を使用することが可能である。

【数2】

【0073】

次に、目標抽出率α_ｒ，ｃの縦方向の変化α_ｒ，ｃ（ｘ）を知ると、対応する導波路５の幅ｗ_ｃの縦方向の変化ｗ_ｃ，ｃ＝ｐ（ｘ）が、以前に決定された関係α_ｒ＝ｇ（ｗ_ｃ）に基づいて決定され、縦方向の変化Λ_ｒ＝ｑ（ｘ）が、以前に決定された関係Λ_ｒ＝ｆ（ｗ_ｃ）に基づいて決定される。しかし、この「理論的」アプローチは、本発明の文脈で使用することができるが、幅ｗ_ｃの縦方向の変化ｗ_ｃ，ｃ（ｘ）が、技術的制約および／またはアポダイズされた部分の上流および下流の導波路５の幅の値ｗ_ｃ，ｉｎ，ｗ_{ｃ，ｏｕｔ}（例えば、ここでは３５０ｎｍおよび６００ｎｍ）に完全に対応しないリスクがある。

【0074】

したがって、より「実用的」な他の有利なアプローチを使用することができる。最初のステップは、２つの所定の上流および下流の値ｗ_ｃ，ｉｎおよびｗ_{ｃ，ｏｕｔ}の間における導波路５の幅ｗ_ｃの縦方向の変化ｗ_ｃ（ｘ）を表す方程式を定義することである。この方程式は、調整される少数のパラメータ（少数の自由度）を含むが、対応する放射プロファイルが目標放射プロファイルＳ_ｃ（ｘ）に等しくなるように、導波路５の形状の広い範囲をカバーすることが望ましい。好ましくは、指数ｎのべき乗関数を選択し、これを連続形および離散形で表す。

【数3】

ここで、ｘは横座標であり、ｘ_０＝０、すなわち、光アンテナ７の幅がｗ_ｃ，ｉｎであるアポダイズされた部分の開始点とＬ_ａ、すなわち、幅がｗ_{ｃ，ｏｕｔ}であるアポダイズされた部分の終了点との間で変化し、ｉは考慮される回折格子８の周期数、Ｍはアポダイズされた部分の全周期数であり、最後に、ｎは決定すべき自由パラメータである。

【0075】

次に、ここでのパラメータｎを変化させて、パラメータの検討を行う。この例では、光アンテナ７のアポダイズされた部分がＭ＝１０００周期で形成され、その後に、幅ｗ_ｃおよびピッチΛ_ｒが一定（値ｗ_{ｃ，ｏｕｔ}に等しい幅）である１０００周期の部分が続くものとする。Ｎ回の光アンテナ７のＦＤＴＤシミュレーションを行うが、ここで、パラメータｎはｎ_（ｍ）の値をとり、ここで、ｍは、実行されたシミュレーションに関連する１からＮまで変化する指標である。このように、指標ｍの各シミュレーションについて、パラメータｎがｎ_（ｍ）の値をとる上記の式に基づいて、幅ｗ_ｃ（ｍ）の縦方向の変化ｗ_ｃ（ｍ）＝ｐ_（ｍ）（ｘ）が得られる。また、先に求めた関係Λ_ｒ＝ｆ（ｗ_ｃ）に基づいて、縦方向の変化Λ_ｒ（ｍ）＝ｑ_（ｍ）（ｘ）が導出される。

【0076】

次に、縦方向の変化ｗ_ｃ（ｍ）＝ｐ_（ｍ）（ｘ）およびΛ_ｒ（ｍ）＝ｑ_（ｍ）（ｘ）を考慮して、抽出率の縦方向の変化α_ｒ（ｍ）（ｘ）がα_ｒ＝ｇ（ｗ_ｃ）に基づいて求められ、対応する放射プロファイルＳ_（ｍ）（ｘ）が求められる。次に、放射プロファイルＳ_（ｍ）（ｘ）と目標放射プロファイルＳ_ｃ（ｘ）との間の類似パラメータ、すなわち、これら２つのプロファイル間の差異のパラメータが、例えば重なり積分に基づいて求められる。最後に、類似パラメータの最良の値を与える、すなわち、これら２つのプロファイル間の差が最小となるパラメータｎの最適値ｎ_{（ｍｏｐｔ）}が選択される。これにより、導波路５の幅ｗ_ｃにおける最適な縦方向の変化ｗ_ｃ＝ｐ_{（ｍｏｐｔ）}（ｘ）が、回折格子８のピッチΛ_ｒにおける対応する縦方向の変化Λ_ｒ＝ｑ_{（ｍｏｐｔ）}（ｘ）とともに得られ、ここで、対応する放射プロファイルＳ（ｘ）は、（最良の類似性という意味で）目標放射プロファイルＳ_ｃ（ｘ）に等しく、放射角度θ（ｘ）は、ｘのすべての値に対して一定である目標値θ_ｃに等しい。したがって、この「実用的な」アプローチによれば、ピッチΛ_ｒの局所値に関連する幅ｗ_ｃの局所値が、技術的制約およびアポダイズされた部分の上流および下流における導波路５の幅の所望の値ｗ_{ｃ，ｉｎ，}ｗ_{ｃ，ｏｕｔ}に効果的に適合することが保証される。

【0077】

最後に、ステップ５０において、光アンテナ７がすべて同じ構造構成Ｃｓ_ｒｅｆを有する光エレクトロニクス送信機１が製造され、ここで構造構成は、導波路５の幅ｗ_ｃにおける縦方向の変化ｗ_ｃ＝ｐ（ｘ）および回折格子８のピッチにおける縦方向の変化Λ_ｒ＝ｑ（ｘ）によって補完される。

【0078】

図４Ｃは、このような光アンテナ７の放射プロファイルＳ（ｘ）を、目標放射プロファイルＳ_ｃ（ｘ）とともに示す。この例では、光アンテナ７は、上記の基準構造構成で、Ｍ＝１０００周期（約７５０μｍの長さＬ_ａ）のアポダイズされた部分と、それに続く１０００周期の（長さ８５０μｍの）アポダイズされない部分とを含む。アポダイズされた部分では、幅ｗ_ｃは、６００ｎｍに等しい上流値ｗ_ｃ，ｉｎと、３５０ｎｍの下流値ｗ_{ｃ，ｏｕｔ}との間で変化する。充填率ｆｆ_ｒは、縦軸Ｘに沿って０．５に等しく、パラメータｎは０．３に等しい。また、目標放射角度は、ここでは８°に等しい。アポダイズされた上流部分では、ｘ＝０からｘ＝Ｌ_ａ＝約７５０ｎｍの範囲で、放射プロファイルＳ（ｘ）はガウス分布であり、目標ガウス分布Ｓ_ｃ（ｘ）と良い相似性を示す。アポダイズされていない下流部分では、放射プロファイルは指数関数的に減少し、ここでも目標プロファイルに対応する。ここでは、光アンテナ７におけるアポダイズされた部分とアポダイズされない部分との間の遷移を破線の垂直線で表している。

【0079】

この製造プロセスにより、光アンテナ７の長さの少なくとも一部にわたって導波路５の幅ｗ_ｃおよび回折格子８のピッチΛ_ｒが縦方向において変化することで、各光アンテナ（７）が所望の近接場放射プロファイルおよび放射角度を有する光放射を放射する光エレクトロニクス送信機１を製造することができる。したがって、遠方場放射パターンは所望のパターンに対応し、少なくとも平面ＸＺにおいてはほとんど発散を示さない。さらに、通常のフォトニックプラットフォーム製造プロセスの制約に全くまたはほとんど適合しない寸法を有する回折格子を製造する必要はない。

【0080】

いくつかの特定の実施形態について説明した。当業者には様々な変形および変更が明らかであろう。

【0081】

したがって、製造プロセスは、充填率ｆｆを調整する段階、または縦方向の変化ｆｆ（ｘ）を決定する段階、アポダイズされた部分の長さ、または他の物理的パラメータを調整する段階を含むこともできる。上述したように、放射プロファイルには、例えばガウス分布または一定型などの様々なタイプがある。さらに、回折格子８は、本明細書のように、高屈折率を有するパッド１３を含むことができ、または特に、クラッド層の表面に形成されたノッチによって形成されてもよい。

【図1A】

【図1B】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【国際調査報告】