特表 2024-546422 ランダムでスパースな光フェーズドアレイを用いたフォトニック集積回路

(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】2024-12-24

(54)【発明の名称】ランダムでスパースな光フェーズドアレイを用いたフォトニック集積回路

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/295 20060101AFI20241217BHJP

【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 2024527338

(86)(22)【出願日】2022-11-10

(85)【翻訳文提出日】2024-06-25

(86)【国際出願番号】 US2022049606

(87)【国際公開番号】W WO2023086513

(87)【国際公開日】2023-05-19

(31)【優先権主張番号】63/278,024

(32)【優先日】2021-11-10

(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】520435267

【氏名又は名称】レイセオン ビービーエヌ テクノロジーズ コープ

【氏名又は名称原語表記】ＲＡＹＴＨＥＯＮ ＢＢＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＣＯＲＰ．

【住所又は居所原語表記】１０ Ｍｏｕｌｔｏｎ Ｓｔｒｅｅｔ Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ ０２１３８ ＵＳ

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100229448

【弁理士】

【氏名又は名称】中槇 利明

(72)【発明者】

【氏名】ソルタニ，モエ，ディー．

(72)【発明者】

【氏名】リーザム，ジェイムズ，ジー．

(72)【発明者】

【氏名】スミス，デュアン，ディー．

(72)【発明者】

【氏名】ニエチャエフ，アレキサンダー

【テーマコード（参考）】

2K102

【Ｆターム（参考）】

2K102BA01

2K102BA09

2K102BB04

2K102BB08

2K102CA20

2K102DC08

2K102DC09

2K102EB01

2K102EB16

2K102EB20

2K102EB22

2K102EB24

(57)【要約】

フォトニック集積回路（ＰＩＣ）がここに開示される。当該ＰＩＣは、基板と、基板によって支持された主光導波路とを含み得る。主光導波路は、電磁放射線源と通信することができ、電磁放射線源から電磁放射線を受信するように構成され得る。第一分岐光導波路が、第一位置で主光導波路に光結合され得る。光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）は複数のアレイ素子を含むことができ、複数のアレイ素子のそれぞれが、光アンテナ及び光位相変調器を含むことができる。複数のアレイ素子の第一サブセット内の少なくとも一部のアレイ素子を第一分岐光導波路に光結合することができ、複数のアレイ素子のうちの少なくとも一部の位置は、基板上の１つ以上の方向で非周期である。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板によって少なくとも部分的に支持された導波路であって、当該導波路は電磁放射線源及び受信器のうちの少なくとも一方と通信し、光信号ビームの伝播を容易にするように構成される、導波路と、
複数のアレイ素子を含む光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）であって、前記複数のアレイ素子のそれぞれが、
光アンテナ、及び
前記光アンテナに関連し、前記光アンテナと通信する前記導波路のセグメント内の前記光信号ビームを変調するように動作可能である、光位相変調器、
を有する、光フェーズドアレイと、
を含み、
前記複数のアレイ素子のうちの少なくとも一部のアレイ素子は前記基板上の非周期位置で前記導波路に光結合される、
フォトニック集積回路（ＰＩＣ）。

【請求項2】

前記光フェーズドアレイは、前記アレイ素子間の距離が前記電磁放射線源からの電磁放射線の波長の１／２よりも大きいように前記複数のアレイ素子が位置決めされたスパースアレイである、請求項１に記載のフォトニック集積回路（ＰＩＣ）。

【請求項3】

前記光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）内の前記アレイ素子の前記非周期位置は、前記複数のアレイ素子からの放射光信号ビーム、または受信ビームゲインエンベロープが所定の閾値よりも大きいピーク対サイドローブ比を有するように設定され、
前記ピーク対サイドローブ比は、前記放射ビームでのピークビーム強度／ゲイン対グレーティングローブ強度／ゲインの比を有する、請求項１に記載のフォトニック集積回路（ＰＩＣ）。

【請求項4】

前記光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）内の前記アレイ素子の前記非周期位置は、前記複数のアレイ素子からの放射光信号ビーム、または受信ビームゲインエンベロープが前記放射光ビームの複数の走査角度のそれぞれで所定の閾値よりも大きいピーク対サイドローブ比を有するように設定された疑似ランダム位置である、請求項３に記載のフォトニック集積回路（ＰＩＣ）。

【請求項5】

前記放射光ビームの前記複数の走査角度、または前記受信ビームゲインエンベロープは、－６０度から＋６０度の間の角度を有し、
前記アレイ素子の前記疑似ランダム位置は、前記複数のアレイ素子からの前記放射光信号ビームまたは前記受信ビームゲインエンベロープが－６０度から＋６０度の間の前記複数の走査角度のそれぞれで所定の閾値よりも大きいピーク対サイドローブ比を有するように設定される、請求項４に記載のフォトニック集積回路（ＰＩＣ）。

【請求項6】

前記アレイ素子の前記疑似ランダム位置は、前記放射光信号ビームまたは前記受信ビームゲインエンベロープが前記光位相変調器のうちの１つ以上によって行われる位相調整の制御によって、前記複数の走査角度にわたって連続してステアリング可能であるように設定される、請求項３に記載のフォトニック集積回路（ＰＩＣ）。

【請求項7】

前記アレイ素子の前記疑似ランダム位置は、前記電磁放射線源から供給される単一のコヒーレント波長の電磁放射線を用いて、前記光位相変調器のうちの１つ以上によって行われる前記位相調整の制御によって、前記複数のアレイ素子からの前記放射光信号ビームまたは前記受信ビームゲインエンベロープが前記複数の走査角度にわたって連続してステアリング可能であるように設定される、請求項６に記載のフォトニック集積回路（ＰＩＣ）。

【請求項8】

前記アレイ素子の前記疑似ランダム位置は、前記複数のアレイ素子からの前記放射光信号ビームまたは前記受信ビームゲインエンベロープが前記光位相変調器のうちの１つ以上によって行われる前記位相調整の制御によって、２次元でステアリング可能であるように設定される、請求項６に記載のフォトニック集積回路（ＰＩＣ）。

【請求項9】

前記複数のアレイ素子のうちの少なくとも一部の位置は、前記基板上の１つ以上の方向で非周期である、請求項１に記載のフォトニック集積回路（ＰＩＣ）。

【請求項10】

光エネルギーを発生するように構成された前記電磁放射線源としてのソースレーザーであって、前記アンテナ素子は前記光エネルギーに基づいて前記光信号ビームを送信するように構成される、前記ソースレーザーと、
前記アンテナ素子によって受信された前記光信号ビームを受信して処理するように構成された受信器と、
のうちの少なくとも一方をさらに含む、請求項１に記載のフォトニック集積回路（ＰＩＣ）。

【請求項11】

前記ソースレーザーは単一のコヒーレント波長で光エネルギーを発生する、請求項１０に記載のフォトニック集積回路（ＰＩＣ）。

【請求項12】

前記導波路は光導波路である、請求項１に記載のフォトニック集積回路（ＰＩＣ）。

【請求項13】

前記基板上に配置され、前記複数のアレイ素子のそれぞれの前記光位相変調器と電気通信するオンチップ電子回路を含み、前記オンチップ電子回路は、前記光アンテナと通信する前記導波路のセグメント内の前記光信号ビームを変調するために前記光位相変調器のそれぞれに電圧を印加するように構成される、請求項１に記載のフォトニック集積回路（ＰＩＣ）。

【請求項14】

複数の層を含み、
前記複数の層は、
前記光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）及び前記導波路を含むフォトニック層、
前記アレイ素子の前記光位相変調器のそれぞれと電気通信するデジタル読み込み集積回路（ＤＲＩＩＣ）を含む電子層であって、前記デジタル読み込み集積回路は電圧を印加して前記光位相変調器のそれぞれを制御するように構成される、電子層、
を含む、
請求項１に記載のフォトニック集積回路（ＰＩＣ）。

【請求項15】

前記電子層は１つ以上のＣＭＯＳ回路を含む、請求項１４に記載のフォトニック集積回路（ＰＩＣ）。

【請求項16】

電磁放射線源、及び
フォトニック集積回路（ＰＩＣ）、
を含むフォトニック集積システムであって、
前記フォトニック集積回路は、
基板と、
前記基板によって少なくとも部分的に支持された導波路であって、当該導波路は電磁放射線源及び受信器のうちの少なくとも一方と通信し、光信号ビームの伝播を容易にするように構成される、導波路と、
複数のアレイ素子を含む光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）であって、前記複数のアレイ素子のそれぞれが、
光アンテナ、及び
前記光アンテナに関連し、前記光アンテナと通信する前記導波路のセグメント内の前記光信号ビームを変調するように動作可能である、光位相変調器、
を有する、光フェーズドアレイと、
を含み、
前記複数のアレイ素子のうちの少なくとも一部のアレイ素子は前記基板上の非周期位置で前記導波路に光結合される、
フォトニック集積システム。

【請求項17】

前記光フェーズドアレイは、前記アレイ素子間の距離が前記電磁放射線源からの電磁放射線の波長の１／２よりも大きいように前記複数のアレイ素子が位置決めされたスパースアレイである、請求項１６に記載のフォトニック集積システム。

【請求項18】

前記光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）内の前記アレイ素子の前記非周期位置は、前記複数のアレイ素子からの放射光信号ビーム、または受信ビームゲインエンベロープが所定の閾値よりも大きいピーク対サイドローブ比を有するように設定され、
前記ピーク対サイドローブ比は、前記放射ビームまたは前記受信ビームゲインエンベロープでのピークビーム強度対グレーティングローブ強度の比を有する、請求項１６に記載のフォトニック集積システム。

【請求項19】

前記光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）内の前記アレイ素子の前記非周期位置は、前記複数のアレイ素子からの放射光信号ビーム、または受信ビームゲインエンベロープが前記放射光ビームまたは前記受信ビームゲインエンベロープの複数の走査角度のそれぞれで所定の閾値よりも大きいピーク対サイドローブ比を有するように設定された疑似ランダム位置である、請求項１８に記載のフォトニック集積システム。

【請求項20】

フォトニック集積回路（ＰＩＣ）を構成する方法であって、
前記フォトニック集積回路（ＰＩＣ）を、基板を含むように構成することと、
前記フォトニック集積回路（ＰＩＣ）を、前記基板によって少なくとも部分的に支持された導波路を含むように構成することであって、前記導波路は電磁放射線源及び受信器のうちの少なくとも一方と通信し、前記導波路は光信号ビームの伝播を容易にするように構成される、構成することと、
前記フォトニック集積回路（ＰＩＣ）を、複数のアレイ素子を有する光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）を含むように構成することであって、前記複数のアレイ素子のそれぞれが、
光アンテナ、及び
前記光アンテナに関連し、前記光アンテナと通信する前記導波路のセグメント内の前記光信号ビームを変調するように動作可能である、光位相変調器、
を含む、構成することと、
前記複数のアレイ素子のうちの少なくとも一部のアレイ素子を、前記導波路に光結合されるように構成することであって、前記複数のアレイ素子のうちの少なくとも一部の位置は前記基板上の１つ以上の方向で非周期である、構成することと、
を含む方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本出願は、２０２１年１１月１０日に出願された米国仮出願第６３／２７８，０２４号の利益を主張するものであり、この内容全体は参照により本明細書に援用される。

【背景技術】

【0002】

光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）は、光信号ビームの送信または受信を容易にするために、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）で使用されることがある。フォトニック集積回路は、フォトニック集積回路に集積された複数のフォトニックまたは光に基づいた機能を有することができる。ＯＰＡは、アンテナ素子を利用して光信号ビームをフォーミングすることによって、光信号ビームを送信するために使用され得る。アンテナ素子から送信される光信号ビームに関連する位相及び／または振幅は、１つ以上の光位相及び／または振幅変調器によって制御または調整され、１次元以上でビーム整形、ビームポインティング、及び／またはビームステアリングを実行することができる。

【0003】

しかし、従来のＯＰＡでは、光学及び電気ルーティング（例えば、導波路及び電気配線のルーティング）の課題のため、アンテナ素子の数が多くなりすぎると、２次元の遠方場ビームステアリングを実行することができない。これらのようなアレイでは、アンテナ素子が多くなった結果、回路トポロジのスケーリングが不可能になり、ＰＩＣ上の光及び電気ルーティングを可能にする空間が限られているため、ＯＰＡ上の光及び電気ルーティングに干渉する。光及び電気ルーティングのための空間を大きくすることを可能にするためにアレイ素子間の距離を増大させることは、光信号ビームまたは受信ビームゲインエンベロープからのグレーティングローブが大きくなり、光信号ビームのステアリングレンジが狭くなる望ましくない結果となる。したがって、光信号に重大な劣化を引き起こすことなく、ＯＰＡのスケーラビリティを実現できないことが多い。

【0004】

さらに、２次元ビームステアリングを達成する大規模ＯＰＡは、ＯＰＡに入力されるソースレーザーの波長を掃引して、ビームを２方向のうちの１方向にステアリングすることによって、これを達成する。このため、固定レーザー波長または有限同調レンジのレーザー波長を必要とする用途には、大規模ＯＰＡは機能できない。上記の問題を軽減するために、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）の分野では、ＯＰＡのスケーラビリティ及びサイドローブ抑制を可能にする、ＯＰＡの光及び電気ルーティングでの代替の配置が必要である。

【図面の簡単な説明】

【0005】

主題技術の特徴及び利点は、主題技術の特徴を一例として共に例示する添付図面と併せて、以下の詳細な説明から明らかである。

【0006】

【図1】本開示の一例による、光送信器及び／または光受信器を含む１対の光トランシーバノードの概略図を示す。

【図2】本開示の一例による、光送信器及び／または光受信器を収容する光学装置の等角図を示す。

【図3】本開示の一例による、フォトニック集積回路ベースの光デバイスの斜視図を示す。

【図4】図３のフォトニック集積回路ベースの光デバイスの内部の斜視図を示す。

【図5】図３のフォトニック集積回路ベースの光デバイスの部分分解図を示す。

【図6】図３のフォトニック集積回路の光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）の概略図を示す。

【図7】本開示の一例による、図６の光フェーズドアレイの一部の平面図を示す。

【図8】図７の光フェーズドアレイの一部の平面図を示す。

【図9】図８の光フェーズドアレイの一部の平面図を示す。

【図10】本開示の一例による、フォトニック集積回路の光フェーズドアレイから放射される光信号ビームの図を示す。

【図11】本開示の一例による、光信号ビームのメインローブ及びサイドローブの強度のグラフを示す。

【図12】本開示の一例による、光フェーズドアレイから放射される光信号ビームのメインローブ及びサイドローブのシミュレーションを示す。

【図13】図３のフォトニック集積回路の斜視図を示す。

【図14】本開示の一例による、光フェーズドアレイ上の導波路ルーティングの平面図を示す。

【図15】本開示の一例による、光フェーズドアレイ上の導波路ルーティングの平面図を示す。

【図16】本開示の一例による、フォトニック集積回路を構成する方法を示す。

【0007】

次に、例示した例を参照して、本明細書では同じものを説明するために特定の言語を用いる。しかしながら、それによって範囲を限定することは意図されていないことを理解されたい。

【発明を実施するための形態】

【0008】

本発明の考え方の最初の概略を以下に示し、その後、特定の例についてより詳細に説明する。この最初の概要は、読み手が例をより迅速に理解することを助けることを目的としているが、例の重要な特徴または本質的な特徴を特定することは意図しておらず、特許請求の範囲に記載された対象の範囲を限定することも意図していない。

【0009】

上記を考慮すると、多数のアンテナ素子によって２次元の遠方場ビームステアリングができる光フェーズドアレイを用いたフォトニック集積回路が必要である。本明細書に記載のフォトニック集積回路及び光フェーズドアレイは、上記の問題を解決することができる。本明細書に記載の光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）は、アレイ素子（例えば、ナノアンテナ素子）を有し、これらアンテナ素子は、放射される電磁放射線（すなわち、光エネルギー）の半波長よりも大きい距離で離隔されるが、それでも十分なサイドローブ抑制を提供する。またＯＰＡは、光及び電気ルーティング用の空間を追加することを可能にするために、より大きいサイズにスケーリング可能である。さらに光フェーズドアレイには、ナノアンテナ素子が含まれ、光信号ビームの複数の走査角度でＯＰＡから放射される光信号ビーム（または受信ゲインエンベロープ）のサイドローブ干渉を最小にするように、遺伝的アルゴリズムによってアレイ内に位置決めされる。さらに本明細書に記載のＯＰＡは、ソースレーザー入力の波長を多波長にわたって掃引することなく、２次元ビームステアリングを実現する大規模ＯＰＡである。ＯＰＡは、単一のコヒーレント波長の電磁放射線を受信し、個々のナノアンテナ素子の位相変調によって光信号ビームをステアリングすることができる。

【0010】

本開示の一例では、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）は、基板と、基板によって少なくとも部分的に支持される導波路とを含むことができる。導波路は、電磁放射線源（光エネルギー源）及び受信器のうちの少なくとも一方と通信することができる。導波路は、光信号ビームの伝播を容易にするように構成され得る。さらにＰＩＣは、複数のアレイ素子を有する光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）が含むことができ、複数のアレイ素子のそれぞれが、光アンテナと、光アンテナに関連する光位相変調器を含み得る。光位相変調器は、光アンテナと通信する導波路のセグメント内の光信号ビームを変調するように動作可能である。複数のアレイ素子のうちの少なくとも一部のアレイ素子は、基板上の非周期位置で導波路に光結合され得る。

【0011】

いくつかの例では、光フェーズドアレイは、スパースアレイであり、このスパースアレイでは、複数のアレイ素子は、アレイ素子間の距離が電磁放射線源からの電磁放射線の波長の１／２よりも大きくなるように位置決めされ得る。

【0012】

いくつかの例では、光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）内のアレイ素子の非周期位置は、複数のアレイ素子からの放射光信号ビーム、または受信ゲインエンベロープが所定の閾値よりも大きいピーク対サイドローブ比を有するように設定できる。ピーク対サイドローブ比は、放射ビームまたは受信ゲインエンベロープでのピークビーム強度対グレーティングローブ強度の比とし得る。

【0013】

いくつかの例では、光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）内のアレイ素子の非周期位置は、複数のアレイ素子からの放射光信号ビーム、または受信ゲインエンベロープが放射光ビームまたは受信ゲインエンベロープの複数の走査角度のそれぞれで所定の閾値よりも大きいピーク対サイドローブ比を有するように設定された疑似ランダム位置とし得る。

【0014】

いくつかの例では、放射光ビームまたは受信ゲインエンベロープの複数の走査角度は、－６０度から＋６０度の間の角度を有することができる。

【0015】

いくつかの例では、アレイ素子の疑似ランダム位置は、複数のアレイ素子からの放射光信号ビームまたは受信ゲインエンベロープが－６０度から＋６０度の間の複数の走査角度のそれぞれで所定の閾値よりも大きいピーク対サイドローブ比を有するように設定できる。

【0016】

いくつかの例では、アレイ素子の疑似ランダム位置は、放射光信号ビームまたは受信ゲインエンベロープが光位相変調器のうちの１つ以上によって行われる位相調整の制御によって、複数の走査角度にわたって連続してステアリング可能であるように設定できる。

【0017】

いくつかの例では、アレイ素子の疑似ランダム位置は、電磁放射線源から供給される単一のコヒーレント波長の電磁放射線を用いて、光位相変調器のうちの１つ以上によって行われる位相調整の制御によって、複数のアレイ素子からの放射光信号ビームまたは受信ゲインエンベロープが複数の走査角度にわたって連続してステアリング可能であるように設定できる。

【0018】

いくつかの例では、アレイ素子の疑似ランダム位置は、複数のアレイ素子からの放射光信号ビームまたは受信ゲインエンベロープが光位相変調器のうちの１つ以上によって行われる位相調整の制御によって、２次元でステアリング可能であるように設定できる。

【0019】

いくつかの例では、複数のアレイ素子のうちの少なくとも一部の位置は、基板上の１つ以上の方向で非周期とし得る。

【0020】

いくつかの例では、さらにフォトニック集積回路（ＰＩＣ）は、光エネルギーを発生するように構成された電磁放射線源としてのソースレーザー、光エネルギーに基づいて光信号ビームを送信するように構成されたアンテナ素子、及びアンテナ素子によって光信号ビームを受信して、受信した光信号ビームを処理するように構成された受信器のうちの少なくとも１つを含むことができる。

【0021】

いくつかの例では、ソースレーザーは単一のコヒーレント波長で光エネルギーを発生することができる。

【0022】

いくつかの例では、導波路は光導波路である。

【0023】

いくつかの例では、オンチップ電子回路は、基板上に配置され得、複数のアレイ素子のそれぞれの光位相及び／または振幅変調器と電気通信することができる。オンチップ電子回路は、光位相及び／または振幅変調器のそれぞれに電圧を印加して、光アンテナと通信する導波路のセグメント内の光信号ビームを変調するように構成され得る。

【0024】

いくつかの例では、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）は複数の層を含むことができる。複数の層は、光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）及び導波路を有するフォトニック層を含むことができる。さらに複数の層は、アレイ素子の光位相及び／または振幅変調器のそれぞれと電気通信するデジタル読み込み集積回路（ＤＲＩＩＣ）を有する電子層を含むことができ、このデジタル読み込み集積回路は、電圧を印加して光位相及び／または振幅変調器のそれぞれを制御するように構成され得る。

【0025】

いくつかの例では、電子層は１つ以上のＣＭＯＳ回路が含むことができる。

【0026】

本開示の別の例では、フォトニック集積システムは、電磁放射線源（すなわち、光エネルギー源）を含むことができる。さらにシステムは、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）を含むことができる。フォトニック集積回路（ＰＩＣ）は、基板と、基板によって少なくとも部分的に支持される導波路とを含むことができる。導波路は、電磁放射線源及び受信器の少なくとも１つと通信することができる。導波路は、光信号ビームの伝播を容易にするように構成され得る。さらにＰＩＣは、複数のアレイ素子を有する光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）を含むことができ、複数のアレイ素子のそれぞれが、光アンテナと、光アンテナに関連する光位相及び／または振幅変調器を含み得る。光位相変調器は、光アンテナと通信する導波路のセグメント内の光信号ビームを変調するように動作可能である。複数のアレイ素子のうちの少なくとも一部のアレイ素子を導波路に光結合することができ、複数のアレイ素子のうちの少なくとも一部の位置は基板上の１つ以上の方向で非周期とし得る。

【0027】

フォトニック集積システムのいくつかの例では、光フェーズドアレイは、スパースアレイであることができ、スパースアレイでは、複数のアレイ素子は、アレイ素子間の距離が電磁放射線源からの電磁放射線の波長の１／２よりも大きくなるように位置決めされる。

【0028】

フォトニック集積システムのいくつかの例では、光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）内のアレイ素子の非周期位置は、複数のアレイ素子からの放射光信号ビームまたは受信ゲインエンベロープが所定の閾値よりも大きいピーク対サイドローブ比を有するように設定できる。ピーク対サイドローブ比は、放射ビームまたは受信ゲインエンベロープでのピークビーム強度対グレーティングローブ強度の比とし得る。

【0029】

フォトニック集積システムのいくつかの例では、光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）内のアレイ素子の非周期位置は、複数のアレイ素子からの放射光信号ビームまたは受信ゲインエンベロープが放射光ビームまたは受信ゲインエンベロープの複数の走査角度のそれぞれで所定の閾値よりも大きいピーク対サイドローブ比を有するように設定された疑似ランダム位置とし得る。

【0030】

本開示の別の例では、方法は、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）を構成するステップを含むことができる。方法は、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）を、基板を含むように構成するステップを含むことができる。さらに方法は、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）を、基板によって少なくとも部分的に支持された導波路を含むように構成するステップを含むことができ、導波路は電磁放射線源及び受信器のうちの少なくとも一方と通信し、導波路は光信号ビームの伝播を容易にするように構成され得る。さらに方法は、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）を、複数のアレイ素子を有する光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）を含むように構成するステップを含むことができる。複数のアレイ素子のそれぞれが、光アンテナと、光アンテナに関連する光位相及び／または振幅変調器を含み得る。光位相及び／または振幅変調器は、光アンテナと通信する導波路のセグメント内の光信号ビームを変調するように動作可能である。さらに方法は、複数のアレイ素子のうちの少なくとも一部のアレイ素子を導波路に光結合するように構成するステップをさらに含むことができ、複数のアレイ素子のうちの少なくとも一部の位置は基板上の１つ以上の方向で非周期とし得る。

【0031】

光フェーズドアレイ及びフォトニック集積回路の配置
以下で説明される図１から図１６、及び本開示の原理を説明するために使用される種々の例は、例示に過ぎず、決して本開示の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。当業者であれば、本開示の原理が、適切に配置された任意のタイプのデバイスまたはシステムに実装できることが理解されよう。

【0032】

上述のように、ＯＰＡの送信は、アンテナ素子を使用して、送信光信号ビームをフォーミングし、アンテナ素子に関連する位相は、ビーム整形、ビームポインティング、またはビームステアリングを実行するように制御され得、または調整され得る。ＯＰＡの、またはＯＰＡに関連するアンテナ素子及びその他のさまざまなコンポーネントは、１つ以上のＰＩＣを使用して実装できる。本開示は、ＰＩＣベースの通信光信号ビーム伝送システムをサポートするために設けられる小型でスケーラブルな設計を提供する。設計は、さまざまな宇宙、空中、及び地上ベースのシステムをサポートするために、さまざまな配置で提供され得る。

【0033】

ＯＰＡには、シリコンナノアンテナ素子またはその他のアンテナ素子の２次元（２Ｄ）疑似ランダムスパースアレイ（ＲＳＡ）が含まれ得、アンテナ素子の相対位相は、高速の非機械的なビームフォーミング及びビームステアリングをサポートするように電子制御され得る。またアンテナ素子のランダムスパースアレイ（ＲＳＡ）は、送信光信号ビームまたは受信ゲインエンベロープの高いサイドローブ抑制、送信または受信時の固定波長レーザーソース、有限の可同調波長範囲のレーザー、光及び電子ルーティングに十分な空間、ＯＰＡの動作中の擾乱または劣化を誘起しないスケーラビリティなどの特徴もサポートすることができる。場合によっては、アレイは、低電力共振マイクロリングまたはその他の変調器を備えたユニットセルアーキテクチャをサポートすることができるため、各アンテナ素子を独立して較正し、制御することができる。必要に応じて、スーパーセル設計（複数のアンテナ素子及び関連コンポーネントを複数のスーパーセルに論理的に群化する）は、ルーティングの簡素化に有用であり得、サイズのスケーラビリティを可能にする。また、場合によっては、テイラー重み付け及びその他の技法など、各スーパーセルの振幅変調を使用して、電力伝送を制御し、ビームを整形することができる。

【0034】

本明細書に記載の原理は、実装に応じてさまざまな利点または利益を有することができる。例えば、本明細書に記載のランダムでスパースな光フェーズドアレイにより、ＯＰＡの効率的な電気及び光ルーティングが可能であり、大量のアンテナ素子があっても、ＯＰＡ及びＰＩＣのスケーラビリティに十分な空間及び柔軟性であることが可能である。さらに、ＯＰＡ上のアンテナ素子のランダムでスパースな配置によって、光信号ビームのサイドローブを抑制することができる。さらに、固定波長または有限範囲波長のレーザー源を使用して、２Ｄ光ビームステアリングを実現することができる。

【0035】

図１は、本開示によるフォトニック集積回路ベースの通信をサポートする例示的なシステム１００を示す。図１に示されるように、システム１００は、光で相互に通信する２つのノード１０２及び１０４を含むことができる。各ノード１０２及び１０４は、光通信を使用してデータを送信する、及び／または受信することができる地上、空中、または宇宙ベースのシステムを表す。ノード１０２及び１０４は、少なくとも互いに関して、ノード１０２または１０４の１つのみが送信し、もう１つのノード１０４または１０２のみが受信する、単方向通信を相互に行うことができる。しかし、図１に示されるように、ノード１０２及び１０４の両方が光信号ビームの送信及び受信の両方ができる場合、ノード１０２及び１０４が相互に双方向通信を行うことができることが理解されよう。

【0036】

この例ではノード１０２は光送信器１０６を含み、この光送信器は、通常、通信またはその他の目的に使用される光信号ビーム１０８を生成するように動作する。例えば、光送信器１０６は、適切な光の振幅、位相、周波数、及び／またはその他の変調（複数可）などを使用することによって、光信号ビーム１０８に情報をエンコードすることができる。光信号ビーム１０８は、自由空間またはその他の伝送媒体を介してノード１０４に伝送され、そこで光受信器１１０が光信号１０８を受信して処理する。例えば、光受信器１１０は、光信号ビーム１０８内の光の振幅、位相、周波数、及び／またはその他の変調（複数可）を識別し、識別された変調（複数可）を使用して、光信号ビーム１０８にエンコードされた情報を回復することができる。ここでは、光信号ビーム１０８をエンコードしてデコードするために、任意の適切なタイプの変調／復調スキームを使用することができる。この例では、ノード１０２及び１０４が双方向であるため、同じプロセスが、反対方向に使用され得、つまり、ノード１０４の光送信器１１２は光信号ビーム１１４を生成し、ノード１０２の方に送信し、ノード１０２の光受信器１１６はその光信号ビームを受信し、処理する。

【0037】

なお、ここでは光送信器１０６及び光受信器１１６が別々のコンポーネントとして示されているが、同じＰＩＣベースの構造を光信号ビームの送信と受信との両方に使用することを可能にするように、これらは単一の光トランシーバ１１８に集積されることができる。同様に、ここでは光送信器１１２及び光受信器１１０が別々のコンポーネントとして示されているが、同じＰＩＣベースの構造を光信号ビームの送信と受信との両方に使用することを可能にするように、これらは単一の光トランシーバ１２０に集積されることができる。以下でより詳細に説明されるように、光送信器１０６及び１１２、光受信器１１０及び１１６、または光トランシーバ１１８及び１２０のそれぞれは、光信号ビーム１０８及び１１４を送信する、及び／または受信するために使用される、少なくとも１つのＰＩＣベースの光フェーズドアレイを含む。

【0038】

本開示で説明される光送信器、受信器、及びトランシーバは、多数の用途に使用され得る。例えば、光送信器、受信器、またはトランシーバは、非常に長距離にわたる大量の情報の転送を含む、位置間で情報を迅速に転送する、データセンターまたはテレコミュニケーションシステムに使用され得る。光送信器、受信器、またはトランシーバは、家庭用または市販の電子機器、生体医療デバイス、またはアドバンストコンピューティングデバイスに使用され得る。光送信器、受信器、またはトランシーバは、飛行機、ドローン、衛星、自律走行車、ロケット、ミサイル、またはその他の市販もしくは防衛関連システムに使用され得る。一般に、本開示は、光送信器、受信器、及びトランシーバのいかなる特定の用途にも限定されない。

【0039】

図１はフォトニック集積回路ベースの通信をサポートするシステム１００の一例を示しているが、図１にはさまざまな変更を加えることができる。例えば、ここでは２つのノード１０２及び１０４のみが示されているが、システム１００は、任意の適切な単方向、双方向、またはその他の通信を相互に行う、任意の適切な数のノードを含むことができる。また、システム１００の各ノードは、任意の数の光信号ビームを介して通信する任意の適切な数の光送信器、受信器、またはトランシーバを含むことができる。さらに、システム１００は、ここでは単純な形式で示されており、必要に応じて、または要望どおり、任意の数の追加コンポーネントを任意の適切な構成に含むことができる。

【0040】

図２は、本開示によるフォトニック集積回路ベースの通信をサポートする例示的な装置２００を示す。説明を簡単にするために、装置２００は、図１のシステム１００内の１つ以上のノード１０２及び１０４の一部として表されるもの、または使用されるものとして説明され得る。ただし、装置２００は、その他の任意の適切なデバイスまたはシステムとして、その内で、またはそれと共に使用され得る。

【0041】

図２に示されるように、装置２００はハウジング２０２を含むことができ、このハウジングを使用して、ＰＩＣベースの通信をサポートするその他のコンポーネントを収容して保護することができる。ハウジング２０２は、１つ以上の金属などの任意の適切な材料（複数可）から、任意の適切な方法で形成され得る。またハウジング２０２は、任意の適切なサイズ、形状、及び寸法を有することもできる。ハウジング２０２は、支持構造２０４に固定され得、この支持構造は、その上に、またはそこにハウジング２０２を固定することができる任意の適切な構造を表す。カバー２０６は、ハウジング２０２の内部空間への選択的なアクセスを提供するために、ハウジング２０２に取り外し可能に連結され得る。ハウジング２０２は少なくとも１つのアパーチャ２０８を画定することができ、この少なくとも１つのアパーチャは、光信号ビーム１０８及び１１４など、出射するまたは入射する光信号ビームを通過させることができる。この特定の例では、アパーチャが単一であるが、ハウジング２０２は複数のアパーチャを画定することができる（例えば、１つが送信用アパーチャであり、１つが受信用アパーチャである）。

【0042】

少なくとも１つの光送信器、光受信器、及び／または光トランシーバは、ハウジング２０２内に位置決めされ、少なくとも１つのアパーチャ２０８を介して通信する。例えば、場合によっては、装置２００は、少なくとも１つの光送信器２１０ａ（光送信器１０６または１１２の少なくとも一例を表すことができる）と、少なくとも１つの光受信器２１０ｂ（光受信器１１０または１１６の少なくとも一例を表すことができる）を含むことができる。一例では、光送信器２１０ａ及び光受信器２１０ｂを共通の支持体２１２上に並置して位置決めすることができることにより、光送信器２１０ａ及び光受信器２１０ｂはそれぞれアパーチャ２０８を介して光信号ビームを送信すること、または受信することが可能になる。他の場合には、装置２００は、支持体２１６上に少なくとも１つの光トランシーバ２１４（光トランシーバ１１８または１２０の少なくとも一例を表すことができる）を含むことができ、光トランシーバ２１４はアパーチャ２０８を介して通信することができる。光トランシーバ２１４は、１つ以上の波長での光信号ビームの送信と、１つ以上の異なる波長での光信号ビームの受信をサポートすることができる。当業者であれば、装置２００では、少なくとも２つの光送信器（複数可）、光受信器（複数可）、及び／または光トランシーバ（複数可）の任意の適切な組み合わせも使用され得ることが理解されよう。

【0043】

図２はフォトニック集積回路ベースの通信をサポートする装置２００の一例を示しているが、図２にはさまざまな変更を加えることができる。ＰＩＣベースの通信は、広範囲のデバイスに、またはそれらによって使用され得、ここに示される特定の装置に限定されない。例えば、ハウジング２０２は代替に回転可能なジンバルとして形成され得、この回転可能なジンバルは、必要に応じて、または要望どおり、１つ以上の光送信器、光受信器、または光トランシーバを再指向することができる。さらに、装置２００は、ビーコン光信号ビームの発生及び送信及び／または受信及び処理をサポートするコンポーネントを含むことができ、これらのコンポーネントは、装置２００が光通信を行う、またはその他の信号を送るために向けるべき位置を特定するのに役立つように使用され得る。

【0044】

図３～図５は、本開示によるフォトニック集積回路ベースの光デバイス３００の一例を示す。説明を簡単にするために、光デバイス３００は、図１のシステム１００で使用され得る、図２の光送信器２１０ａ、光受信器２１０ｂ、または光トランシーバ２１４のうちの１つを実装するために使用されるものとして説明されている。ただし、光デバイス３００は、その他の任意の適切な装置及びその他の任意の適切なシステムに使用され得る。

【0045】

図３に示されるように、光デバイス３００はパッケージ３０２を含み、このパッケージは、光送信器２１０ａ、光受信器２１０ｂ、または光トランシーバ２１４の電子コンポーネント及び光学コンポーネントを包囲して保護する。パッケージ３０２は、１つ以上の金属などの任意の適切な材料（複数可）から、任意の適切な方法で形成され得る。またパッケージ３０２は、任意の適切なサイズ、形状、及び寸法を有することができ、いかなる制限も意図されることなく、任意の適切な形態を有することができる。

【0046】

パッケージ３０２は、光デバイス３００から送信される光信号ビーム、または光デバイス３００によって受信される光信号ビームに対して少なくとも部分的に光学的に透明である光学窓３０６を含むことができる。光学窓３０６は、ホウケイ酸ガラスまたはその他のガラスなどの任意の適切な材料（複数可）から、任意の適切な方法で形成され得る。また光学窓３０６は、任意の適切なサイズ、形状、及び寸法を有することもできる。

【0047】

またパッケージ３０２は、パッケージ３０２の内部と外部との間で１つ以上の電気信号を運ぶために使用され得る、１つ以上の電気接続３０８も含むことができる。ここで、１つ以上の電気信号は、光デバイス３００の１つ以上の動作を制御するためなど、任意の適切な目的に使用され得る。具体的な例として、１つ以上の電気信号を使用して、位相及び／または振幅変調器を制御して、光デバイス３００内のフォトニック集積回路のアンテナ素子からの光信号ビームの位相または振幅を制御することができる。さらにパッケージ３０２は、１つ以上の光入力／出力部３１０（例えば、光ファイバ）を含み、これらを使用して、光デバイス３００に１つ以上の入力信号を提供すること、及び／または光デバイス３００から１つ以上の出力信号を受信することができる。１つ以上の入力信号は、光デバイス３００から送信される情報を搬送することができる。１つ以上の出力信号は、光デバイス３００に受信され、それによって回復された情報を搬送することができる。この例では、２つのファイバ入力／出力部３１０があるが、光デバイス３００は、単一ファイバ入力／出力部３１０または２つより多いファイバ入力／出力部３１０を含むことができる。ただし、すべての光発生及び処理がパッケージ３０２内のコンポーネントを使用して行われる場合、ファイバ入力／出力部３１０が必要とされないことに留意されたい。この場合、電気接続３０８を使用して、光デバイス３００との間で情報を運ぶすることができる。

【0048】

図４に示されるように、フォトニック集積回路４０２は、パッケージ３０２内、すなわち、フォトニック集積回路４０２が光学窓３０６を介して光信号ビームを送信する及び／または受信することができる位置に位置決めされる。以下に説明されるように、フォトニック集積回路４０２を使用して、フォトニック集積回路４０２の設計に応じて、光信号ビームの送信及び／または受信をサポートすることができる。またフォトニック集積回路４０２は、必要に応じて、または要望どおり、いくつかの追加の光学機能をサポートすることもできる。フォトニック集積回路４０２は、シリコン、リン化インジウム、またはヒ化ガリウムなどの任意の適切な材料（複数可）から、任意の適切な方法で形成され得る。またフォトニック集積回路４０２は、任意の適切なサイズ、形状、及び寸法を有することもできる。具体的な例として、フォトニック集積回路４０２は正方形で、約４０ｍｍの辺の長さを有するが、ここではその他の任意の適切なサイズ及び形状を使用することができる。

【0049】

ファイバマウント４０４を使用して、光ファイバ４０６が光信号をフォトニック集積回路４０２に提供する及び／またはそこから光信号を受信することができる位置で、光ファイバ４０６に結合することができる。例えば、光ファイバ４０６は、光信号ビームの送信の出射中に使用するために、ソースレーザーからの光信号をフォトニック集積回路４０２に提供することができる。そのうえ、または代替に、光ファイバ４０６は、フォトニック集積回路４０２によって受信された光信号を、処理のために受信器に提供することができる。各ファイバマウント４０４は、光ファイバ４０６に結合されるように構成された任意の適切な構造を含むことができる。各光ファイバ４０６は、光信号をフォトニック集積回路４０２との間で転送するように構成された任意の適切な長さの光媒体を表す。ここでは４つのファイバマウント４０４及び光ファイバ４０６が示されているが、光デバイス３００が１つ、２つ、３つ、または４つを超えるファイバマウント４０４及び光ファイバ４０６を含むことができることに留意されたい。また、すべての光発生及び処理がフォトニック集積回路４０２のコンポーネントを使用して行われる場合、ファイバマウント４０４及び／または光ファイバ４０６が必要とされないことに留意されたい。

【0050】

電子制御盤４０８は、フォトニック集積回路４０２の動作を制御する、１つ以上の集積回路チップ及びその他のコンポーネントなど、電子コンポーネントを含む。例えば、電子制御盤４０８は、フォトニック集積回路４０２のアンテナ素子によって発生する光信号ビームの所望の位相を計算する１つ以上のコンポーネントを含むことができることにより、電子制御盤４０８は、ＰＩＣからビームフォーミングまたはビームステアリング操作を制御することが可能になる。さらに、または代替に、電子制御盤４０８は、フォトニック集積回路４０２のアンテナ素子によって受信される光信号に適用される所望の位相を計算する１つ以上のコンポーネントを含むことができることにより、電子制御盤４０８は、波面再構成操作を制御することが可能になる。電子制御盤４０８は、フォトニック集積回路４０２に関連する１つ以上の所望の機能を実行するように構成された任意の適切なコンポーネントを含む。

【0051】

図５に示されるように、フォトニック集積回路４０２はそれ自体が、フォトニック集積回路４０２のＰＩＣユニットセルを表すいくつかのアレイ素子５０２を含むことができる。各アレイ素子５０２は、１つ以上の光信号を送信するまたは受信するように構成され得る。フォトニック集積回路４０２は、任意の適切な数のアレイ素子５０２を含むことができ、場合によっては、非常に多数のアレイ素子５０２まで、またそれを含むことができる。いくつかの実施形態では、例えば、フォトニック集積回路４０２は、最大１０２４×１０２４のサイズ（つまり、１００万超のアレイ素子５０２）またはそれ以上の素子５０２のアレイを含むことができる。フォトニック集積回路４０２のサイズは、アレイ素子５０２の数及びサイズに少なくとも部分的に基づいている。上述のように、場合によっては、フォトニック集積回路４０２は、辺の長さが約４０ｍｍの正方形であり得る。しかしながら、フォトニック集積回路４０２は、より小さいサイズまたはより大きいサイズ（例えば、約２．５ｃｍ×約２．５ｃｍ）にスケーリングされ得、さらに、製造能力に応じて、さらに大きいサイズ（例えば、約２０ｃｍ×約２０ｃｍまたは約３０ｃｍ×約３０ｃｍ以上、これらのサイズは決して限定することを意図したものではない）までスケールアップされ得る。

【0052】

各アレイ素子５０２は、アンテナ素子５０４を含むことができ、このアンテナ素子は、１つ以上の外部デバイスまたはシステムとの間で１つ以上の光信号ビームを物理的に送信する及び／または受信するように構成される。例えば、各アンテナ素子５０４は、レンズなしで、または少なくとも１つの光信号ビームを集束させる、もしくはその他の方法で処理するように構成された、１つ以上のレンズもしくはその他の光デバイスを伴って、アレイゲインエンベロープ内で少なくとも１つの光信号ビームレットを送信するまたは光エネルギーを受信するナノフォトニックアンテナまたはその他のアンテナ素子を表すことができる。実装に応じて、アンテナ素子５０４は、送信アレイ内のエミッタまたは受信アレイ内の受信器と呼ばれることもあり得る。各アンテナ素子５０４は、任意の適切なサイズ、形状、及び寸法を有することができる。場合によっては、アンテナ素子５０４の放出／受信面は、約２μｍから約４μｍの直径であり得る。

【0053】

ここで、各アンテナ素子５０４は信号経路５０６に結合される。信号経路５０６は、アンテナ素子５０４との間で光信号を輸送するように構成される。例えば、信号経路５０６は、送信用の光信号をアンテナ素子５０４に提供することができる。さらに、または代替に、信号経路５０６は、アンテナ素子５０４によって受信した光信号を、処理のために光検出器またはその他のコンポーネントに提供することができる。各信号経路５０６は、光導波路など、光信号を輸送するように構成された任意の適切な構造を含む。関連するアレイ素子５０２がどのように設計され、フォトニック集積回路４０２内に位置決めされるかに基づいて、信号経路５０６が変わり得るため、図５には信号経路５０６の一部のみが示され得ることに留意されたい。

【0054】

アンテナ素子５０４ごとに１つ以上の変調器５０８が設けられ、これら変調器を（とりわけ）使用して、関連するアンテナ素子５０４によって、送信されるまたは受信される光信号の位相及び／または振幅、あるいはその両方を（配置及び用途または使用に応じて）制御することができる。例えば、アンテナ素子５０４が送信している例では、変調器５０８を使用して、出射光信号ビームの所望の位相を達成し、ビームフォーミングまたはビームステアリングを実行することができる。アンテナ素子５０４が受信している例では、変調器５０８を使用して、受信される光信号の入射波面に位相制御を適用し、波面を分解する、または再構成することができる。受信と送信との両方が行われる例では、変調器５０８を使用して、出射光信号ビームの所望の位相を達成し、受信光信号の入射波面に位相制御を適用することができる。各変調器５０８は、共振マイクロリング変調器またはＰＮ接合マイクロリング変調器など、光信号の位相及び／または振幅を変調するように構成された任意の適切な構造を含むことができる。場合によっては、各変調器５０８は、直径が約４～６μｍの共振マイクロリング変調器であり得るが、その他のサイズの変調器を使用することもできる。

【0055】

フォトニック集積回路４０２の変調器５０８は、デジタル読み込み集積回路（ＤＲＩＩＣ）層５１０に電気結合され得、この層を使用して、変調器５０８によって入射または出射する光信号に適用される位相及び／または振幅変調を制御するための電気信号を変調器５０８に提供する。本明細書に記載の（ＤＲＩＩＣ）設計は、光フェーズドアレイの固有の特性に合わせて調整され得る。大型のブレイクアウト回路基板及びデジタル－アナログコンバータを使用する代わりに、ＤＲＩＩＣ設計は、低いプロファイルを有することができ、フォトニック集積回路へのフリップチップボンディングなどの操作をサポートすることができる。場合によっては、ＤＲＩＩＣ設計は、ＰＩＣ関連のすべての電子コントロールをハイブリッドまたはモノリシック設計に集積する。また、ＤＲＩＩＣ設計はユニットセルアーキテクチャをサポートすることができ、このユニットセルアーキテクチャでは、各ＤＲＩＩＣユニットセルは対応するＰＩＣユニットセルに対応し、それとインタラクトする。これは、任意の適切なサイズへのＰＩＣ設計だけでなくＤＲＩＩＣ設計のスケーラビリティをサポートする。全体として、ＤＲＩＩＣ設計は、ビームフォーミング及びビームステアリングなど、さまざまな機能をコンパクトなパッケージでサポートするのに役立つ。フォトニック集積回路ＰＩＣ４０２とＤＲＩＩＣ層５１０とを電気結合するための任意のメカニズムを使用して、フォトニック集積回路４０２をＤＲＩＩＣ層５１０に結合することができる。

【0056】

この例ではＤＲＩＩＣ層５１０は、いくつかの個別のＤＲＩＩＣセル５１２を含み、各ＤＲＩＩＣセル５１２は、アレイ素子５０２のうちの対応する１つに関連付けられることができる（場合によっては、その対応する１つとほぼ同じサイズを有することができる）。ＤＲＩＩＣセル５１２は、アレイ素子５０２の変調器５０８によって適用される位相変調を制御する。ＤＲＩＩＣセル５１２は、基本的にはデジタル－アナログ変換デバイスとして機能することができ、デジタルプログラミング（１ビット、２ビット、８ビット、またはその他のデジタル値など）を、特定の電圧範囲にわたる適切にスケーリングされた直流（ＤＣ）アナログ電圧に変換する。具体的な例として、ＤＲＩＩＣセル５１２は、デジタル値を０Ｖ～３．３Ｖの間の適切なＤＣアナログ電圧に変換するように動作することができるが、実装に応じてその他の電圧（負の電圧を含む）もサポートすることができる。

【0057】

この例では、各ＤＲＩＩＣセル５１２はレジスタ５１４を含むことができ、このレジスタは、その対応するアレイ素子５０２の変調器５０８によって適用される異なる位相シフト及び／または振幅変化に関連する値を格納するように構成され得る。所望の位相シフトを与えるために、レジスタ５１４から適切な値が、選択され、２つの増幅器５１６及び５１８に与えられると、これら増幅器は、出力電圧を発生させ、関連する変調器５０８に供給する。出力電圧は、関連する変調器５０８によって与えられる位相シフトを制御する。経時的にレジスタ５１４から異なる値が増幅器５１６及び５１８に与えられるため、関連する変調器５０８に異なる出力電圧が印加される。このようにして、各ＤＲＩＩＣセル５１２はその関連する変調器５０８に経時的に異なる位相シフトを与えさせ得ることにより、ビームフォーミング、ビームステアリング、または波面再構成のようなさまざまな機能をサポートすることができる。

【0058】

いくつかの実施形態では、各ＤＲＩＩＣセル５１２を使用して、その関連する変調器５０８に比較的少数の異なる出力電圧を供給することができる。例えば、場合によっては、各ＤＲＩＩＣセル５１２は関連する変調器５０８に、４つ、またはさらには２つの異なる位相シフトを与えさせ得る。ただしここでは、最大２５６個以上の異なる位相シフトをサポートする場合など、その他の数の出力電圧及び関連する位相シフトをサポートすることができる。また、出力電圧は、異なるＤＲＩＩＣセル５１２内の変調器５０８に供給されると、それらの変調器５０８が同じ位相シフトを与えている場合でも、異なってよく、これは製作公差などの要因によるものであり得る。変調器５０８ごとに使用される実際の出力電圧は、較正中に選択され得るため、各レジスタ５１４に適切な値を格納することができる。

【0059】

この例では、レジスタ５１４によって経時的に増幅器５１６及び５１８に与えられる各ＤＲＩＩＣセル５１２の実際の値は、デマルチプレクサ５２０を使用して制御され得る。各デマルチプレクサ５２０は、計算されたアレイ位相シフト５２２のストリームを受信し、そのＤＲＩＩＣセルに関連する変調器５０８によって適用される必要がある位相シフト５２２を出力する。デマルチプレクサ５２０によって出力された位相シフト５２２がレジスタ５１４から特定の値を識別し、またはその他の方法でそれら位相シフトを使用してそれら特定の値を選択し、増幅器５１６及び５１８に出力することができる。ここで計算されたアレイ位相シフト５２２は、電子制御盤４０８、または電子制御盤４０８と通信する外部コンポーネントなど、１つ以上の外部コンポーネントによって与えられることができる。ここでは示されないが、アレイレベルのデシリアライズ回路を使用して、高速デジタル信号を個々のＤＲＩＩＣセル５１２のアレイに分離してファンアウトすることができる。

【0060】

各レジスタ５１４は、値を格納して取得するように構成された任意の適切な構造を含む。各増幅器５１６及び５１８は、入力に基づいて制御電圧またはその他の制御信号を発生するように構成された任意の適切な構造を含む。各デマルチプレクサ５２０は、値を選択して出力するように構成された任意の適切な構造を含む。

【0061】

これがアレイ素子５０２の変調器５０８を制御することができる方法の一例を表すことに留意されたい。一般に、任意の適切な技法が、変調器５０８が与える位相シフトを制御する際に使用するために適切な制御電圧またはその他の制御信号を変調器５０８に与えるために使用され得る。例えば、図５に示されるアプローチでは、増幅器５１６及び５１８に適用される値をレジスタ５１４に格納し、必要に応じて取得することが可能になるため、外部コンポーネントは、取得される所望の値のインジケータをＤＲＩＩＣセル５１２に与えることが可能になる。他の実施形態では、外部コンポーネントは、異なる回路によってアナログ値に変換されるデジタル値を与えることができる。

【0062】

さまざまな電気接続５２４がＤＲＩＩＣ層５１０内またはそれと共に設けられる。電気接続５２４を使用して、ＤＲＩＩＣセル５１２の計算されたアレイ位相シフト５２２を含む高速デジタル信号を受信する場合など、電気接続５２４を使用して、ＤＲＩＩＣセル５１２に電気信号を与えることができる。ここでは、電気接続５２４の任意の適切な数及び配置を使用することができる。サーマルスプレッダ５２６が、ＤＲＩＩＣ層５１０及びフォトニック集積回路４０２にわたってより一貫した温度を与えるようにＤＲＩＩＣ層５１０と熱的に接触して位置決めされ得る。またサーマルスプレッダ５２６は、ＤＲＩＩＣ層５１０に熱エネルギーを供給して、ＤＲＩＩＣ層５１０及びフォトニック集積回路４０２を加熱することができ、フォトニック集積回路４０２の温度をほぼ一定に保つのに役立つことができる。サーマルスプレッダ５２６は、銅のような１つ以上の金属など、任意の適切な材料（複数可）から、任意の適切な方法で形成され得る。サーマルスプレッダ５２６は、任意の適切なサイズ、形状、及び寸法を有することができる。

【0063】

図３～図５は、フォトニック集積回路ベースの光デバイス３００の一例を示しているが、図３～図５にはさまざまな変更を加えることができる。例えば、１つ以上のフォトニック集積回路は、その他の任意の適切な方法でパッケージ化され、その他の任意の適切な方法でその他のコンポーネントに対して配置され、その他の任意の適切な方法でその他のコンポーネントに結合され得る。また、その他の任意の適切な変調制御アプローチ及びその他の任意の適切な熱管理アプローチは、１つまたは複数のフォトニック集積回路と共に使用され得る。

【0064】

図６及び図７は、本開示による図３～図５のフォトニック集積回路ベースの光デバイス３００を含むフォトニック集積回路ベースの光学系のより具体的な実装例を示す。特に、図６及び図７は、光デバイス３００内に実装できる例示的なアーキテクチャ６００を示す。図６に示されるように、アーキテクチャ６００は、ソースレーザー６０２、ＯＰＡ６０４、及び受信器６０６を含むことができる。ソースレーザー６０２は電磁放射線源（すなわち、光エネルギー源）であり、この電磁放射線源は、一般に光信号（例えば、電磁放射線、または換言すれば、光エネルギー）を発生し、ＯＰＡ６０４に与えるように動作すると、ＯＰＡはそれらの光信号を使用して、出射光信号を送信する。ＯＰＡ６０４は、一般的に、出射光信号を送信し、入射光信号を受信するように動作する。一般的に受信器６０６は、入射光信号を処理するように動作する。これらのコンポーネントにより、アーキテクチャ６００は光トランシーバ機能をサポートすることが可能になるが、光送信器のみ、または光受信器のみの機能が望ましい場合、一部のコンポーネント（例えば、ソースレーザー６０２か受信器６０６かいずれか）をアーキテクチャ６００から取り除くことができる。

【0065】

この例では、ソースレーザー６０２は、低電力入力ビームを生成するように動作するレーザー６０８を含むことができる。レーザー６０８は、分布帰還型（ＤＦＢ）ダイオードレーザーなど、レーザー出力を生成するように構成された任意の適切な構造を含むことができる。低出力入力ビームは、特定の用途に使用されるレーザー６０２に基づいて、任意の適切なパワーレベルを有することができる。場合によっては、低出力入力ビームは、十または数十ミリワットから百または数百ミリワットのパワーレベルを有することができるが、これらの値は説明のみを目的としたものである。また、場合によっては、レーザー６０２は、少なくとも１つのＩＩＩ族元素及び少なくとも１つのＶ族元素を使用して製造され得るため、「ＩＩＩ－Ｖ」レーザーと称され得る。ただし、レーザー６０２を製造するために、その他の任意の適切な材料を使用することもできる。低出力入力ビームが電気光学変調器（ＥＯＭ）６１０に供給されると、低出力入力ビームは入力電気信号に基づいて変調され得る。ＥＯＭ６１０が振幅変調を与えるマッハツェンダ変調器（ＭＺＭ）として実装される場合など、ＥＯＭ６１０はここで任意の適切な変調を与えることができる。

【0066】

スプリッタ６１２は、通常、変調された入力ビームを異なる光路を介して伝わる光信号に分割するように動作する。この例では、スプリッタ６１２は、スプリッタ６１２ａ～６１２ｎの階層配置を含み、各スプリッタは光入力を受信して分割し、実質的に等しいパワーの２つの光出力を生成することができる。スプリッタ６１２ａ～６１２ｎの数と、スプリッタ６１２ａ～６１２ｎの階層レベルの数が生成される光信号の数に基づいて変わることができることに留意されたい。例えば、３２個の光信号が必要な場合には５つのレベルのスプリッタ、または６４個の光信号が必要な場合には６つのレベルのスプリッタが存在することができる。ただし、任意の適切な数のスプリッタを使用して、他の数の光信号を生成することができることに留意されたい。また、マルチモード干渉計またはカプラツリーなど、その他の任意の適切な構造（複数可）を使用して光信号を分割することができることにも留意されたい。

【0067】

スプリッタ６１２からの光信号は、位相シフタ６１４のアレイを使用して位相シフトすることができ、各位相シフタ６１４は光信号のうちの１つの位相をシフトさせることができる。各位相シフタ６１４は、共振マイクロリング変調器など、光信号を位相シフトさせるように構成された任意の適切な構造を含む。いくつかの実施形態では、共振マイクロリング変調器は、シリコン系であってよく、約５ミクロンから約６ミクロンの直径を有することができるが、位相シフタ６１４のその他の実装も使用してもよい。

【0068】

位相シフトした光信号は、半導体光増幅器増幅器（ＳＯＡ）６１６のアレイに与えられる。各半導体光増幅器６１６は、位相シフトした光信号のうちの１つを増幅させて、その光信号の高出力バージョンを生成する。各半導体光増幅器６１６は、光信号を増幅させるように構成された任意の適切な半導体ベースの増幅器を表す。増幅させた光信号のそれぞれは、使用されている半導体光増幅器６１６に基づいて、任意の適切なパワーレベルを有することができる。場合によっては、増幅させた光信号はそれぞれ約１００ｍＷのパワーレベルを有することができるが、この値は説明のみを目的としたものである。増幅させた光信号は、光導波路６１８を介して結合され、伝送され得ることにより、半導体光増幅器６１６からの出力のソースコヒーレント結合が可能になる（増幅器６１６がＳＯＡの位相ロックアレイを形成するため）。結合された信号はサーキュレータ６２０に与えられ、このサーキュレータは結合された信号をＯＰＡ６０４に与える。

【0069】

ＯＰＡ６０４では、結合された信号はスプリッタ６２２によって分割されるため、結合された信号の実質的に等しい第一部分が２つの導波路６２４ａ～６２４ｂに与えられる。ここでは導波路６２４ａ～６２４ｂは実質的に同じ長さを有することができるため、導波路６２４ａ～６２４ｂを出る結合された信号の第一部分間に位相差はほとんど、またはまったくない。この例では、フォトニック集積回路４０２はスーパーセル６２６を使用して実装され、各スーパーセル６２６はアレイ素子５０２のサブセットを含む。いくつかの実施形態では、例えば、各スーパーセル６２６は、３２×３２配置のアレイ素子５０２を含むことができるが、各スーパーセル６２６では、その他の数及び配置のアレイ素子５０２を使用することもできる。この特定の例では、フォトニック集積回路４０２は、６４個のスーパーセル６２６を含むが、その他の数のスーパーセル６２６を使用することもできる。複数のスーパーセル６２６は、ソースレーザー６０２からの結合信号の同じ部分を使用して駆動され得るため、アーキテクチャ６００での位相制御及びその他の操作を単純にするのに役立つ。スーパーセル６２６内のすべてのアレイ素子５０２を合わせて駆動する機能は、例えば、各スーパーセル６２６の振幅変調によって、そのスーパーセル６２６内のアレイ素子５０２の送信電力を制御することを可能にする。

【0070】

ＯＰＡ６０４では、ソースレーザー６０２からのレーザー出力はスプリッタ６２２によって分割され得るため、結合された信号の実質的に等しい第一部分が２つの導波路６２４ａ及び６２４ｂに与えられる。ここでは導波路６２４ａ及び６２４ｂは実質的に同じ長さを有することができるため、導波路６２４ａ及び６２４ｂを出る結合された信号の第一部分間に位相差はほとんど、またはまったくない。この例では、フォトニック集積回路４０２はスーパーセル６２６を使用して実装され得、各スーパーセル６２６はアレイ素子５０２の一部分を含む。いくつかの実施形態では、例えば、各スーパーセル６２６は、３２×３２配置のアレイ素子５０２を含むことができるが、各スーパーセル６２６では、その他の数及び配置のアレイ素子５０２を使用することもできる。この特定の例では、フォトニック集積回路４０２は、６４個のスーパーセル６２６を含むが、その他の数のスーパーセル６２６を使用することもできる。複数のスーパーセル６２６は、ソースレーザー６０２からの結合信号の同じ部分を使用して駆動され得るため、アーキテクチャ６００での位相制御及びその他の操作を単純にするのに役立つ。スーパーセル６２６内のすべてのアレイ素子５０２を合わせて駆動する機能は、例えば、各スーパーセル６２６の振幅変調によって、そのスーパーセル６２６内のアレイ素子５０２の送信電力を制御することを可能にする。

【0071】

ソースレーザー６０２からの結合信号を使用してスーパーセル６２６を駆動するために、導波路６２４ａ及び６２４ｂは、結合信号の第一部分をスプリッタ６２８ａ及び６２８ｂ（１×８光スプリッタなど）に与え、結合信号の第一部分を結合信号のより多数の第二部分に分割する。追加のスプリッタ６３０ａ及び６３０ｂ（８×３２スプリッタなど）は、結合信号の第二部分を結合信号のさらにより多数の第三部分に分割する。この結果、スーパーセル６２６を駆動するために使用され得る、６４個の光信号が作成される。１×８及び８×３２スプリッタのこの配置がこの特定のフォトニック集積回路４０２内のスーパーセル６２６を駆動することができる方法の単なる一例であることに留意されたい。フォトニック集積回路４０２を駆動するために、その他の数または配置のスプリッタを使用するアプローチを含む、その他のアプローチを使用することもできる。図６に示される特定のアプローチは、この特定のフォトニック集積回路４０２のスーパーセル６２６を駆動することができる方法の単なる一例である。

【0072】

異なるスーパーセル６２６に到達するように異なる光路長を補償するために、スプリッタ６３０ａ及び６３０ｂとスーパーセル６２６との間に時間遅延路６３２ａ及び６３２ｂが設けられる。例えば、フォトニック集積回路４０２内のスーパーセル６２６の各ロウがスプリッタ６３０ａからの４つの出力及びスプリッタ６３０ｂからの４つの出力を使用して駆動されると仮定すると、補償がなければ、スプリッタ６３０ａ及び６３０ｂからの異なる出力は、異なる時間に異なるスーパーセル６２６に到達することにより、望ましくない位相差が生じて、アーキテクチャ６００のスループットが低下し得る。時間遅延路６３２ａ及び６３２ｂは、螺旋状またはその他の光経路を表し、これらの光経路は、スプリッタ６３０ａ及び６３０ｂからの出力はすべてのスーパーセル６２６にほぼ同時に到達するように、スプリッタ６３０ａ及び６３０ｂからの出力の少なくとも一部を遅延させる。例えば、時間遅延路６３２ａ及び６３２ｂは、より近いスーパーセル６２６への信号をより大きい量だけ遅延させることができ、より遠いスーパーセル６２６への信号をより少ない量だけ遅延させる、またはまったく遅延させないことができる。スーパーセル６２６で受信される光信号を、スーパーセル６２６が使用して出射光信号を生成する。

【0073】

スーパーセル６２６は、入射光信号を受信することができ、これら入射光信号は、導波路６２４ａ～６２４ｂを介してサーキュレータ６２０に通して受信器６０６に伝送され得る。この例では、受信器６０６は、受信した入射光信号を電流に変換する少なくとも１つのフォトダイオードなど、少なくとも１つの光検出器６３４を含むことができる。トランスインピーダンス増幅器６３６は、電流を電圧に変換することができ、そして、その電圧がさらに処理され得る（例えば、入射光信号に含まれる情報を回復するなど）。

【0074】

アーキテクチャ６００で異なる光パワーレベルを使用することを可能にするために、ＯＰＡ６０４及びソースレーザー６０２のさまざまなコンポーネントを異なる材料から製造することができることに留意されたい。例えば、ソースレーザー６０２のコンポーネントは、窒化ケイ素、ゲルマニウム、またはソースレーザー６０２がＯＰＡ６０４用に比較的高出力の結合ビームを生成することを可能にするその他の材料を使用して製造され得る。ＯＰＡ６０４では、導波路６２４ａ及び６２４ｂならびにスプリッタ６２８ａ及び６２８ｂは、同様に、ソースレーザー６０２からの比較的高出力の結合ビームの伝送及び分割をサポートする窒化ケイ素またはその他の材料を使用して、製造され得る。スプリッタ６３０ａ及び６３０ｂは、シリコン（窒化ケイ素ではなく）または低出力光信号を分割することができるその他の材料を使用して製造され得る（この時点では、ソースレーザー６０２からの光エネルギーは既に分割されているため）。ただし、アーキテクチャ６００のコンポーネントは、その他の任意の適切な材料から製造され得る。また、アーキテクチャ６００のさまざまなコンポーネントが１つ以上の共通材料を使用して製造されても、または製造されなくてもよいことに留意されたい。

【0075】

いくつかの実施形態では、図６のアーキテクチャ６００内のすべてのコンポーネントは、単一に集積された電気及びフォトニックチップを使用して実装される場合など、集積された方法で実装できる。上述のように、例えば、アーキテクチャ６００のさまざまなコンポーネントは、シリコン及び窒化ケイ素を使用して製造され得ることにより、標準的なシリコン系プロセスを使用した製造が可能になる。集積された方法で実装される場合、アーキテクチャ６００は、単一のフォトニック集積回路チップを使用して実装され得、ファイバ入力／出力部３１０、ファイバマウント４０４、及び光ファイバ４０６などのコンポーネントを必要としない可能性がある。ただし、アーキテクチャ６００内のコンポーネントの集積は必ずしも必要とされない。したがって、例えば、ソースレーザー６０２は、オフチップに実装されること、または標準のエルビウムドープファイバ増幅器レーザーもしくはその他の外部レーザーを使用して置換され得る。別の例として、受信器６０６はオフチップに実装できる。

【0076】

図６及び図７は図３～図５のフォトニック集積回路ベースの光デバイスの特定の実装のもう１つの例を示しているが、図６及び図７にはさまざまな変更を加えることができる。例えば、この特定の実施形態は、２つの導波路６２４ａ～６２４ｂ、２セットのスプリッタ６２８ａ～６２８ｂ、６３０ａ～６３０ｂ、及び２セットの時間遅延路６３２ａ～６３２ｂを使用することによって、フォトニック集積回路４０２を論理的に半分に分割する。ただし、フォトニック集積回路４０２は、他の数の部分に論理的に分割してもよく、または論理的に分割されなくてもよい。また、図６及び図７のさまざまなコンポーネントは、組み合わされ得、さらに細分化され得、複製され得、省略され得、または再配置され得、さらなるコンポーネントが特定のニーズに応じて追加され得る。

【0077】

スーパーセル６２６のうちの１つの部分６３８は、図６で識別され、少なくとも１つの例示的な配置で、図７により詳細に示される。図７に示されるように、スーパーセル６２６のこの部分６３８は、８×８配置のアレイ素子５０２を含み、各アレイ素子５０２は、図５に示されるものと同様の構造を有する。ここでわかるように、アレイ素子５０２の構造は、必要に応じて、または要望どおり変更され得る。これらのアレイ素子５０２は、導波路７００を使用して給電される。図示のように、導波路７００は主導波路７０２を含むことができる。主導波路７０２は、ソースレーザー６０２と光通信することができ、ソースレーザー６０２からの電磁放射線（例えば、光信号）を受信するように構成され得る。スプリッタ７０４は、主導波路７０２に沿って位置決めされ、主導波路７０２内で伝播する光信号の一部分を分割して離すことができる。主導波路７０２から分割して離された光信号のこれらの部分は分岐導波路７０６ａ～７０６ｈを介して与えられ、これら分岐導波路は、主導波路７０２に沿って互いに異なる複数の位置で主導波路７０２に光結合され、スプリッタ７０４によって主導波路７０２に結合される。分岐導波路７０６ａ～７０６ｈに沿ってスプリッタ７０８を位置決めして、それぞれの分岐導波路７０６ａ～７０６ｈ内に光信号の部分をさらに分割して離すことができる。理想的には、スプリッタ７０４及び７０８は、アレイ素子５０２のそれぞれが主導波路７０２に入力される光信号のほぼ等しい部分を受信するように構成される。いくつかの実施形態では、主導波路７０２、分岐導波路７０６ａ～７０６ｈ、及びスプリッタ７０４、７０８はシリコンから形成され得るが、その他の材料を使用することができる。

【0078】

各スーパーセル６２６が３２×３２配置のアレイ素子５０２を含む場合、各スーパーセル６２６が３２ロウのアレイ素子５０２を含み、各ロウが３２個のアレイ素子５０２を含むことに留意されたい。したがって、図７に示される部分６３８は、各スーパーセル６２６内で１６回複製される。ただし、必要に応じて、または要望どおり、スーパーセル６２６のそれぞれが異なる数及び配置のアレイ素子５０２を有することが可能である。

【0079】

図７では、主導波路７０２の入力部（図７では主導波路７０２の下に位置している）と異なるアレイ素子５０２との間に異なる経路長が存在することがわかる。この特定の例では、最短経路長は主導波路７０２の入力部と左下のアレイ素子５０２との間に存在し、最長経路長は主導波路７０２の入力部と右上のアレイ素子５０２との間に存在する。スーパーセル６２６自体と同様に、補償がなければ、これらの異なる経路長により、光信号の異なる部分が異なる時間にアレイ素子５０２に到達する。場合によっては、アレイ素子５０２内の変調器５０８によって与えられる位相シフトを使用して、主導波路７０２の入力部と各アレイ素子５０２との間の異なる経路長を補償することができる。さらに、または代わりに、線形またはその他の位相シフタを使用して、主導波路７０２の入力部７０１と各アレイ素子５０２との間の異なる経路長を補償することができる。

【0080】

光フェーズドアレイにおけるアンテナ素子の間隔
図７に示されるように、ＯＰＡ６０４の部分６３８の各アレイ素子５０２は、導波路７００に沿って不規則な（例えば、非周期）位置に離隔され得る。言い換えれば、アレイ素子５０２は、互いに一定の距離の間隔に置かれていない。この例では、各分岐導波路７０６ａ～７０６ｈは、それぞれのアレイ素子サブセット５０２ａ～５０２ｈに光結合され得る。第一アレイ素子サブセット５０２ａ内の各アレイ素子５０２は、第一分岐導波路７０６ａに光結合され得る。さらに、第二アレイ素子サブセット５０２ｂ内の各アレイ素子５０２は第二分岐導波路７０６ｂに光結合され得、第三アレイ素子サブセット５０２ｃ内の各アレイ素子５０２は第三分岐導波路７０６ｃに光結合され得、以下同様にされ得、第八アレイ素子サブセット５０２ｈ内の各アレイ素子は第八分岐導波路７０６ｈに光結合され得る。図７には、８つのサブセット（例えば、５０２ａ～５０２ｈ）及び８つの分岐導波路（例えば、７０６ａ～７０６ｈ）が示される。ただし、ここでは任意の適切な数及び配置の分岐導波路及びアレイ素子のサブセットを使用することができることを理解されたい。

【0081】

図７～図９は、ＯＰＡ６０４の部分６３８内のアレイ素子５０２の配置及び間隔の非周期性を示す。図７を見てわかるように、アレイ素子５０２は、ＯＰＡ６０４内で、規則的で認知できるパターンを有しない位置に離隔され得る。各アレイ素子５０２はＯＰＡ６０４内で、隣接するアレイ素子５０２とは異なる間隔を他の隣接するアレイ素子５０２から置かれて位置決めされ得る。

【0082】

図８は、図７のアレイ素子５０２の一部分を示す。示されるように、個々のアレイ素子５０２のそれぞれは、隣接する／隣接したアレイ素子５０２と異なる間隔を有することができる。例えば、アレイ素子の第一サブセット５０２ａは、それぞれ第一分岐導波路７０６ａに結合される、アレイ素子ａ１～ａ８を含むことができる。示されるように、アレイ素子ａ１及びａ２は、軸Ｎに沿って互いにｘ１の距離で離隔される。さらに、アレイ素子ａ２及びａ３は、互いにｘ２の距離で離隔される。アレイ素子ａ３及びａ４は、互いにｘ３の距離で離隔される。アレイ素子ａ４及びａ５は、互いにｘ４の距離で離隔される。アレイ素子ａ５及びａ６は、互いにｘ５の距離で離隔される。アレイ素子ａ６及びａ７は、互いにｘ６の距離で離隔される。アレイ素子ａ７及びａ８は、互いにｘ７の距離で離隔される。アレイ素子ａ１～ａ８の間隔から、認知できるパターンは見られない。距離ｘ１～ｘ７のそれぞれは相互に異なってよく、アレイ素子ａ１からアレイ素子ａ８に移動しても距離ｘ１～ｘ７の累進または減少は見られない。したがって、アレイ素子ａ１～ａ８間の間隔は、ランダム、またはより具体的には疑似ランダムである。

【0083】

本明細書で使用される場合、「疑似ランダム」は、アレイ素子５０２の間隔がアレイ内に明らかな間隔のパターンまたは周期を伴わないことを意味することを意図したものである。代わりに、各アレイ素子５０２は、隣接するアレイ素子間で設定された距離、間隔、または位置決めが規定されないような方法で、互いに対して離隔される。ただし、アレイ素子５０２を配置すべき位置を考慮または計画せずにＯＰＡ６０４内にアレイ素子５０２を配置することを疑似ランダムが意味するものではないことを理解されたい。代わりに、アレイ素子は、アレイ素子５０２の位置決めに基づいて、ＯＰＡ６０４の特定の目標、メトリック、またはプロパティを達成するように計算される位置に位置決めされる。本開示では、アレイ素子５０２のアンテナ素子５０４から送信された放射光信号ビーム内のサイドローブまたはグレーティングローブを抑制するために、アレイ素子が「疑似ランダム」に位置決めされる。さらに、これらの位置は、所定の閾値を上回るように放射光ビームのピーク対サイドローブ強度比を確立するためのアルゴリズムを使用して決定される。所定の閾値は、当業者によって特定の用途に適していると知られている任意の値に設定できる。例えば、閾値は、６０ｄＢまたはほぼ６０ｄＢであり得るが、より大きい値及び／またはより小さい値が適することがある。例えば、閾値は、用途に応じて、３０～９０ｄＢの範囲内、または３０～９０ｄＢの間の範囲内の値であり得る。より小さい値が設定され得、例えば、図１１（ｄ）に示される９．６ｄＢなど、３０ｄＢ未満の値、及び図１２（Ｂ）に示される約３０ｄＢ以下の値が閾値として使用され得る。さらにグレーティングローブを抑制する必要がある場合、３０ｄＢ以下の値を使用することができる。一般に、メインローブの強度とグレーティングローブの強度との比較は、グレーティングローブの強度がメインローブよりもはるかに小さくなることを確保するために、１０００：１に設定できる。ただし、用途に応じて、異なる閾値またはピーク対サイドローブ比を、ユーザがそのように要望する場合に使用することができることを理解されたい。いかなる意図した制限もなく、任意の望ましい比率または強度の閾値を使用することができる。

【0084】

サブセット５０２ａのアレイ素子ａ１～ａ８と同様に、サブセット５０２ｂ及び５０２ｃのそれぞれの内のアレイ素子ｂ１～ｂ８及びアレイ素子ｃ１～ｃ８は、アレイ素子の間隔に認知できるパターンが見られないように擬似ランダム位置に位置決めされる。これはサブセット５０２ｄ～５０２ｈにも当てはまることができる。

【0085】

さらに、１サブセット（例えば、５０２ａ）内の各アレイ素子５０２は、別のサブセット（例えば、５０２ｂ、５０２ｃなど）内のアレイ素子５０２に対して疑似ランダム（例えば、非周期）間隔を有することができる。例えば、図８に示されるように、サブセット５０２ａ、５０２ｂ、及び５０２ｃのそれぞれの内の第一アレイ素子（例えば、ａ１、ｂ１、及びｃ１）は、互いに対して非周期に位置決めされる。図８に示される例では、アレイ素子ｂ１は、アレイ素子ａ１及びｃ１の両方よりも主光導波路７０２に近い。さらに、アレイ素子ａ１は、アレイ素子ｃ１よりも主光導波路７０２に近い。アレイ素子ａ１、ｂ１、及びｃ１の相互に対する位置は、軸Ｍに沿って認知できるパターンを示さず、疑似ランダムである。アレイ素子の他のカラム（例えば、サブセット５０２ａ、５０２ｂ、及び５０２ｃのそれぞれにおける順序による対応するアレイ素子）の位置及び間隔も非周期かつ疑似ランダムであることが理解されよう。換言すれば、アレイ素子ａ２、ｂ２、及びｃ２は互いに対して非周期な間隔に置かれ、アレイ素子ａ３、ｂ３、及びｃ３は互いに対して非周期な間隔に置かれ、以下同様に置かれ、アレイ素子ａ８、ｂ８、及びｃ８は互いに対して非周期な間隔に置かれる。

【0086】

図７及び図８は、ＯＰＡ６０４上の水平方向におけるアレイ素子５０２の相互に対する非周期位置決めを示す。図９に示される追加の図では、垂直方向におけるアレイ素子５０２の相互に対する位置決めも非周期であってよい。例えば、サブセット５０２ｃでは、アレイ素子ｃ１、ｃ２、及びｃ３のそれぞれは、軸Ｙに沿って分岐導波路７０６ａ、７０６ｂ、及び７０６ｃに対して異なる高さで離隔される。同様に、サブセット５０２ｂでは、アレイ素子ｂ１、ｂ２、及びｂ３のそれぞれは、分岐導波路７０６ａ、７０６ｂ、及び７０６ｃに対して異なる高さで離隔される。同様に、サブセット５０２ａでは、アレイ素子ａ１及びａ２は、分岐導波路７０６ａ、７０６ｂ、及び７０６ｃに対して、アレイ素子ａ３とは異なる高さで離隔される。２つ以上の隣接するアレイ素子５０２が別のアレイ素子または導波路に対して同じ距離で離隔される場合でも、アレイ素子５０２の間隔及び位置決めが擬似ランダムであることを理解されたい。例えば、第一サブセット５０２ａ内のアレイ素子ａ１及びａ２は、導波路７０６ａから同じ距離を有してもよい。これは、アレイ素子５０２のＯＰＡ６０４の間隔の疑似ランダム性を壊さない。言い換えれば、複数のアレイ素子５０２は、アレイ内の特定のランドマーク（例えば、導波路及び／またはその他のアレイ素子）に対して同様な位置決めを有してよく、それでも疑似ランダムの間隔／位置決めとみなされ得る。

【0087】

サイドローブ抑制とアレイのスケーラビリティ
上述のように、アレイ素子５０２の擬似ランダム間隔は、干渉及び／または望ましくない強度の原因となり得るサイド／グレーティングローブを抑制しながら、ＯＰＡ６０４から放射される狭い光信号ビームを達成することを意図したものである。信号が電磁放射線を使用して伝播され、アンテナによって送受信される、アンテナ技術の分野では、主信号ビーム上のグレーティングローブ干渉を適切に抑制するために、アレイ内のアンテナ素子間の距離は、信号を搬送するために使用される電磁放射線の半波長である必要がある。例えば、電磁放射線が約１メートルから１０キロメートルの波長を有し得る、ＲＦスペクトル内の周波数の場合、アレイ素子を半波長間隔（例えば、１メートルから５キロメートル）で離隔することが容易に達成可能である。波長が１ｃｍ（つまり３０ＧＨｚ）の場合でも、アレイ素子を半波長距離で離隔することが容易に達成可能である。しかし、光信号の波長が０．５～１０マイクロメートル程度であるフォトニック集積回路（ＰＩＣ）及び光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）の場合、製造上の難しさ及びＰＩＣ上の空間の不足により、サイドローブ干渉を抑制するためにアレイ素子を１次元超で半波長以下の距離に離隔することは技術的に困難になる。

【0088】

図１０は、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）８００からの光信号ビームの放射の問題の実証的な図を提供する。示されるように、ＰＩＣ８００は光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）８０１を含むことができ、この光フェーズドアレイは、主光信号ビーム８０３を含むステアリング可能な光信号ビーム８０２を放射する複数のアンテナ素子を含むことができる。ＯＰＡ８０１では、アンテナ素子間の間隔は、光信号ビーム８０２の波長の半分よりも大きいため、主光信号ビーム８０３に加えて、サイドローブの一種である大きいグレーティングローブ８０４も放射される。グレーティングローブ８０４は、特に、光信号を高い正確度かつ複数の望ましい軌跡で所望の位置に指向させることを意図したものである、ステアリング可能で指向性の光信号ビームにとっては望ましくない。信号干渉を防ぎ、決定論的なビームフォーミング及び制御を提供するために、光信号ビーム８０２のサイドローブ８０４を抑制することが望ましい。

【0089】

図１１は、（ａ）が近接場のアンテナ素子５０４、（ｂ）がエミッタ（アンテナ素子）５０４の規則的なアレイからフォーミングされた放射光信号ビーム８０２の遠方場パターンを示す。ここでは、近接場（ａ）での光放射線の放射が示され、（ｂ．）８０４での結果としてのグレーティングローブが示される。図１１のグラフ（ｃ）及び（ｄ）は、実際（ｃ）及び理論上（ｄ）の遠方場ビームパターンに従って主光ビーム８０３ならびにグレーティング及びサイドローブ８０４の例示的な強度を示す。図１１からわかるように、サイドローブ８０４は、かなりの強度を有することができるため、受信器による主光ビーム８０３のステアリング及び受信時に、サイドローブ８０４からの干渉と明瞭性の欠如の原因となり得る。したがって、主光信号ビーム８０３の通信ビームの指向性の制御を維持し、信号への干渉を回避するために、光信号ビーム８０２のサイドローブ８０４を抑制することが望ましい。

【0090】

上述のように、グレーティングローブ８０４を抑制するために、ＯＰＡ内のナノアンテナの間隔は光信号ビーム８０２の半波長である必要がある。しかし、光信号ビーム８０２の波長が非常にごくわずか（例えば、数マイクロメートル）である光学用途では、波長がアレイ素子５０２の物理サイズよりも小さいため、これは実用的ではない。したがって、グレーティングローブ８０４によって起こる干渉を回避するために、本明細書に記載のように、アレイ素子が光信号ビームの半波長よりも大きい間隔だけ離隔される擬似ランダムスパースアレイを設計して実装することができる。これにより、光信号ビームメインローブ８０３の周囲のサイド／グレーティングローブ８０４を抑制することができるという利点が得られる。本明細書に記載のＯＰＡ６０４のナノアンテナの擬似ランダム間隔により、主光信号ビームのサイドローブが互いに破壊的に干渉することができるため、サイドローブが抑制されることにより、ＯＰＡ６０４からの主光信号ビームが望ましくないグレーティング／サイドローブなしに遠方場平面に到達することが可能になる。

【0091】

適切なサイドローブ抑制を確保するために、ナノアンテナ５０４及び位相変調器５０８を含むアレイ素子５０２のそれぞれの配置はランダムではない。つまり、アレイ素子５０２の配置には認知できるパターンがないように見えるが、アレイ素子は、実際には反復アルゴリズムを使用して決定論的に位置決めされると、ＯＰＡ６０４内のアレイ素子５０２の望ましいレイアウト及び位置決めが確立されるため、アレイのいくつかの特性及び利点がもたらされる。

【0092】

ＯＰＡ６０４のアレイアーキテクチャ（アレイ素子５０２及びナノアンテナ５０４の配置を含む）を設計するには、遺伝的最適化アルゴリズムを使用して、所望の仕様でＯＰＡ６０４を提供するアレイレイアウトまたはアーキテクチャを探索することができる。所望の仕様を生成するために、アンテナ素子の間隔を１／２波長より大きく離す制約、所望の平均サイドローブレベルを閾値として定義する制約、所望のピークサイドローブレベルを閾値として定義する制約、所望のピーク対サイドローブ比（例えば、比率形式でサイドローブ強度と比較した光信号ビームのピークの強度）を閾値として定義する制約などの制約セットをアルゴリズムで定義することができる。例えば、メインビームに対する最大サイドローブピークは、メインビームの近くでは－１６ｄＢ、及び光信号ビームの視野のエッジでは－１０ｄＢを上回ると許容されないように制約され得る。さらなる制約は、ビーム幅、消費電力、または設計者が望むその他の制約を含むことができる。

【0093】

遺伝的アルゴリズムは、自然選択に基づいている制約付き及び制約なしの最適化問題の両方を解決するためのアルゴリズムである。遺伝的アルゴリズムは、個々の解の母集団を繰り返し変更する。各ステップでは、遺伝的アルゴリズムは解の現在の母集団から「親」となる個々の解を選択し、それらを使用してその次の世代の「子」を生成する。世代を重ねるごとに、母集団は最適解に向かって「進化」する。遺伝的アルゴリズムを適用して、目的関数が不連続、微分不可能、確率的、または高非線形である問題など、標準的な最適化アルゴリズムにあまり適していない、さまざまな最適化問題を解くことができる。

【0094】

例えば、ナノフォトニックアンテナの疑似ランダムスパースアレイ内のアレイ素子の位置決めを決定する際、グリッドのノードに可能な配置位置を含むグリッドにこの問題をマッピングすることができる。グリッドは、グリッド内の交点に、設計されるＯＰＡに使用されるアレイ素子の数よりも多数のノードを含むことができる。各ノードは、アレイ素子が存在する充填ノードか、アレイ素子が存在しない空のノードかいずれかであり得る。光ビーム及びアレイ特性のモデリングを使用して、光ビーム及びアレイの動作特性を決定することができる。次に、定義された各制約を、アレイ素子配置のさまざまな解を使用して監視し、特定の解が所望の設計制約を満たすかどうかを確認することができる。その後、解の反復を実行して、定義された制約を満たすアレイ素子の配置に最良適合解を見つけることができる。

【0095】

言い換えれば、アレイ素子５０２の配置を設計するための遺伝的アルゴリズムは、ランダムに生成された可能な解のセットから開始し、アレイ素子及びナノアンテナの配置の最適解または許容解に向かって進むことができる。すべての制約は、ＯＰＡ内のアレイ素子の配置に可能な解を一意に表すバイナリ値のシーケンスであるＤＮＡにエンコードされ得る。最初に、遺伝的アルゴリズムは、解の第一世代としてランダム解のセットを生成する。第一世代の解は、まず、解が設計基準にどの程度マッチングするかに基づいて適合度について評価され得る。次に、最適化基準（定義された制約など）に従って、最も適合した解が社会に保持され、他の解は社会から除去される（自然選択に類似）。自然選択後に社会に残っている可能性のある解を交叉させる反復を通じて、解の社会の新しいメンバー（「子」）ごとに親解のペアを使用して、解の社会の次世代を生成することができる。子解は、解の特定のビットをランダムに反転することによって、さらに「突然変異」し、将来の反復で考慮される新しい解を生成することができる。後続の反復では、各解が設計制約にどの程度適合するかを計算することに基づいて新しい解の適合度を評価することができる。その後、自然選択、親選択、子世代、突然変異、及びさらなる反復のプロセスを実行することができる。このプロセスが繰り返されるにつれて、社会解は進化し、設計の目標を達成するためのアンテナ素子の配置に関する大域的最適解及び／または許容解に近づく。遺伝的アルゴリズムは、グリッドのノードにおける各素子の存在または非存在をシングルビット（素子が存在する場合には１、素子が存在しない場合には０）で表すことができると、ＤＮＡの長さが短くなり、複数の可能な解の高速探索及び徹底探索（ｔｈｏｒｏｕｇｈ ｓｅａｒｃｈ）が行われるため、グリッド上のスパースアレイ設計に適している。

【0096】

例示的な設計制約は、アレイによって放射される光信号ビームのピーク対サイドローブ比、アレイ素子間の半波長を超える間隔、アレイ素子５０２の最大寸法、最大ユニットセルサイズ、最大アレイグリッド間隔、及び異なる走査角度での位相中心位置の最大平均誤差半径（ＣＥＰ）を含むことができる。

【0097】

本開示の擬似ランダムスパースアレイを設計する場合、解は、光信号ビームの１回の放射に関するピーク対サイドローブ比だけでなく、光信号ビームの複数の走査角度を考慮して決定され得る。例えば、本開示のＯＰＡ６０４は、２次元でステアリング可能な光信号ビームの放射のためのものである。光信号ビームは、複数の異なる走査角度を含む走査角度の範囲にわたってステアリング可能であることを意図したものである（例えば、ビームは＋６０度から－６０度までの走査角度の範囲にわたってステアリング可能であり得る）。遺伝的アルゴリズムの１つの解は１つの走査角度のピーク対サイドローブ比の基準を満たし得るが、当業者であれば、ビームを他の角度にステアリングすると、サイドローブの強度に影響することにより、サイドローブが光信号ビームの特定の走査角度では大きくなることができ、光信号ビームの他の走査角度では抑制されることが理解されよう。したがって、本開示の原理によれば、光信号ビームの複数の走査角度（例えば、－６０、－５９、－５８、．．．５８、５９、６０度など）のそれぞれにおける光信号ビームのピーク対サイドローブ比を決定するための遺伝的アルゴリズムを使用して、ＯＰＡ６０４内のアレイ素子５０２の配置を決定することができる。

【0098】

光信号ビームの複数の走査角度におけるピーク対サイドローブ比を計算することにより、ＯＰＡ６０４のアレイ素子５０２の配置を決定し、以下の特性を有する疑似ランダムスパースアレイを提供することができる。光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）内のアレイ素子の非周期位置は、複数のアレイ素子からの放射光信号ビームが放射光ビームの複数の走査角度のそれぞれで所定の閾値（例えば、遺伝的アルゴリズムにおける設計制約として設定された所望の値）よりも大きいピーク対サイドローブ比を有するように疑似ランダム位置に設定される。

【0099】

さらにアレイ素子の疑似ランダム位置は、複数のアレイ素子からの放射光信号ビームが－６０度から＋６０度の間、またはアレイの設計者が望む走査角度のその他の任意の範囲の複数の走査角度のそれぞれで所定の閾値よりも大きいピーク対サイドローブ比を有するように設定できる。

【0100】

アレイ素子の疑似ランダム位置は、放射光信号ビームが光位相変調器のうちの１つ以上によって行われた位相調整の制御によって、複数の走査角度にわたって連続してステアリング可能であるように設定される。本開示では「連続してステアリング可能」は、複数の走査角度の間に中間の不定状態が存在しないことを意味することを意図したものである。

【0101】

さらに、アレイは、電磁放射線源から供給される単一のコヒーレント波長の電磁放射線を用いても、光位相変調器のうちの１つ以上によって行われる位相調整の制御のみによって、複数のアレイ素子からの放射光信号ビームが複数の走査角度にわたって２次元で連続してステアリング可能であるように、アレイ素子の疑似ランダム位置が設定されるように設計され得る。例えば、レーザー６０２（例えば、光エネルギー源レーザー６０８）は、単一のコヒーレント波長の電磁放射線を放射するように構成され得る。多くの一般的なビームステアリングアレイでは、異なる波長の光にわたってソースレーザーを走査することによって、ステアリングが実行される。ただし、異なる波長にわたって走査すると、サイドローブが大きくなり、主光信号ビームと干渉する可能性があるだけでなく、入射放射線の受信モードでは受信波長が変動する可能性がある。しかしながら、本開示の原理では、レーザー光の波長を単一のコヒーレント波長に維持し、位相調整のみを使用してビームをステアリングすることにより、レーザー光源光の波長を変更することなく、複数の角度範囲にわたる完全走査を可能にするように、ＯＰＡ内のアレイ素子の配置を設計して構成することが可能になる。言い換えれば、ビームをステアリングするために電磁放射線の異なる波長にわたって走査する必要がなく、位相変調器のみの操作でビームステアリングを達成することができる。さらに、本明細書に記載の擬似ランダムスパースアレイアーキテクチャと、光アレイに固有の多数のエミッタ５０２を用いると、アレイ素子の光位相変調器によって適用される２ビットまたは１ビットの位相調整のみを使用してビームステアリングが可能である。例えば、ビームをステアリングするために操作することができるアレイ素子の数が多い場合、ビームを適切にステアリングするには、各変調器によって適用される位相シフト値は、０またはπのみである必要がある。

【0102】

ＯＰＡ６０４内のアレイ素子５０２の配置を決定するために、その他の任意の設計基準及び制約を使用することができる。例えば、光信号ビームのビーム幅を所望の幅に制約することができる。光信号ビームの走査角度の範囲ではなく、遺伝的アルゴリズムの解を反復することで、ビームが走査角度の範囲にわたってどこにステアリングされても、設計基準及び制約を満たすことができる。

【0103】

本明細書に記載の擬似ランダムスパースアレイ設計によって実現されるサイドローブ抑制により、ＰＩＣ４０２は、実際のパッケージ化の制約によってのみ制限される任意のサイズにスケーリング可能であり得る。サイドローブ抑制がアレイ素子５０２（例えば、フォトニック集積回路４０２のＰＩＣユニットセル）の疑似ランダム配置によって達成されるため、ユニットセル及びＰＩＣ４０２全体は、電磁放射線の半波長のユニットセル間の間隔を維持することに制限されなくなる。半波長より大きい間隔でサイドローブを抑制することができる。したがって、これにより、光ビーム信号の劣化のリスクなしに、本明細書に記載のアレイ素子のＯＰＡ、ＰＩＣ、及びユニットセルのスケーラビリティが容易になる。言い換えれば、遺伝的アルゴリズムによるアレイ素子５０２の決定論的配置により、所望の任意のサイズで光学アレイ内のサイドローブが抑制され得、例えば、スパースアレイの場合、アレイのベースライン次元を、エミッタの数から切り離すことが可能になる。またこのスケーラビリティにより、ルーティングの干渉またはオーバーラップのリスクなしに、余裕をもって光及び電気ルーティングを収容することが可能になる。

【0104】

本明細書に記載の原理によって達成されるサイドローブ抑制を示す一例を図１２に示す。図１２のプロット（Ａ）には、本明細書に記載の原理に従って、１０２４×１０２４疑似ランダムスパースアレイ（ＲＳＡ）設計からの角度パワー分布のシミュレーションが示されている。プロット（Ｂ）は、プロット（Ａ）の中央０．６×０．６度部分の拡大表示である。ビーム９０２は、プロット（Ａ）では十分に確認するには狭すぎるが、プロット（Ｂ）には示される。プロット（Ａ）からわかるように、プロット（Ａ）には有意な強度のサイドローブが示されない。さらに、プロット（Ｂ）の拡大図にも、有意なサイドローブは示されていない。光信号ビーム９０２の狭く明確に画定されたメインローブが狭い幅で示される。

【0105】

図１３は、アレイ素子５０２の位相変調器５０８とフォトニック集積回路４０２の電子層５１０（例えば、ＤＲＩＩＣ層５１０）との間の電気接続を示す。アレイ素子５０２は、複数のアレイ素子５０２のＯＰＡ６０４のアレイの一部であり得る。ＯＰＡ６０４、アレイ素子５０２、及び導波路７００は、フォトニック集積回路４０２のフォトニクス層を構成することができる。フォトニック層（ＯＰＡ６０４、アレイ素子５０２、及び導波路７００を含む）は、基板６０３によって支持され得る。本開示の他の箇所で説明されているように、ＤＲＩＩＣ層５１０内またはそれと共に、さまざまな電気接続が設けられることができる。ＤＲＩＩＣ層は、ＣＭＯＳ電子機器、または位相変調器５０８を制御するのに適したその他の任意の電子機器を含むことができる。ＤＲＩＩＣ層５１０は、電子層５１０とも呼ばれることができる。ＤＲＩＩＣ層５１０は、フォトニック層（例えば、ＯＰＡ６０４）の表面上に配置され得る。ＤＲＩＩＣ５１０は、アレイ素子５０２の光位相変調器５０８のそれぞれと電気通信する回路基板を含むことができる。デジタル読み込み集積回路は、光位相変調器５０８のそれぞれを制御するために電圧を印加するように構成され得る。光位相変調器５０８はそれぞれ、基板６０３を貫通して形成された１つ以上のビア（例えば、シリコン貫通電極またはＴＳＶ）によってＤＲＩＩＣ層５１０に電気接続され得る。

【0106】

代替の配置では、オンチップ電子回路が、基板６０３上に配置され得、複数のアレイ素子５０２のそれぞれの光位相変調器５０８と電気通信することができることが理解されよう。オンチップ電子回路は、光位相変調器５０８のそれぞれに電圧を印加して、光アンテナ５０４と通信する導波路のセグメント５０６内の光信号ビームを変調するように構成され得る。

【0107】

代替の導波路ルーティング構造も、本開示の範囲内にあり、ソースレーザー（例えば、レーザー６０２）からの電磁（光）エネルギーを図１４及び図１５に示されるアレイ素子５０２’及び５０２”に指向させる。図１４及び図１５には、それぞれのＯＰＡ部分６３８’及び６３８”内のアレイ素子５０２’及び５０２”に電磁放射線を指向させるための導波路のＨツリー構造が示される。図１４に示されるように、ＯＰＡ部分６３８’は、電磁放射線を受信するための入力部７０１’を備えた導波路７０２’を含むことができる。導波路７０２’は、導波路７０２’に沿った複数の位置で導波路７０２’を２つのほぼ等しい部分に分岐させる一連の分岐部（分岐部７０３’、７０４’、７０５’、及び７０６’を含む）を含むことができる。分岐部７０６’は導波路を２つのセグメント（例えば、セグメント５０６’）に分岐させ、各セグメントは他のアレイ素子５０２’から外方に向くアレイ素子５０２’に給電する。アレイ素子５０２’は、セグメント５０６’、光位相変調器５０８’、及びアンテナ素子５０４’を含むことができる。このアーキテクチャは受信モードでも等しく使用され得る。

【0108】

同様に、図１５に示されるように、ＯＰＡ部分６３８”は、その内に電磁放射線を受信するための入力部７０１”を備えた導波路７０２”を含むことができる。導波路７０２”は、導波路７０２”に沿った複数の位置で導波路７０２”を２つのほぼ等しい部分に分岐させる一連の分岐部（分岐部７０３”、７０４”、７０５”、及び７０６”を含む）を含むことができる。分岐部７０６”は導波路を２つのセグメント（例えば、セグメント５０６”）に分岐させ、各セグメントは他のアレイ素子５０２”の方に向くアレイ素子５０２”に給電する。アレイ素子５０２”は、セグメント５０６”、光位相変調器５０８”、及びアンテナ素子５０４”を含むことができる。

【0109】

図１４及び図１５はアンテナ素子５０４’及び５０４”を互いから等間隔の距離に示しているが、図７に示されているアレイ素子の同じ疑似ランダム間隔が図１４及び図１５に示されるアレイ素子５０２’及び５０２”に適用され、部分６３８の部分６３８’及び６３８”に同じ設計目的を達成することができることを理解されたい。カスケードツリーまたはその他の配置など、導波路の他のルーティングも本開示の範囲内に含まれることを意図したものである。

【0110】

さらに本開示では、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）を構成する方法１０００も企図されている。方法は図１６に示される。方法は、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）を、基板を含むように構成するステップ１００２を含むことができる。さらに方法は、基板によって少なくとも部分的に支持される導波路を含むようにフォトニック集積回路（ＰＩＣ）を構成するステップ１００４を含むことができる。導波路は、電磁放射線源（すなわち、光エネルギー源）及び受信器の少なくとも１つと通信することができ、導波路は、光信号ビームの伝播を容易にするように構成され得る。さらに方法は、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）を、複数のアレイ素子を有する光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）を含むように構成するステップ１００６を含むことができる。複数のアレイ素子のそれぞれは、光アンテナと、光アンテナに関連する光位相変調器を含むことができる。光位相変調器は、光アンテナと通信する導波路のセグメント内の光信号ビームを変調するように動作可能である。さらに方法は、複数のアレイ素子のうちの少なくとも一部の位置が基板上の１つ以上の方向で非周期であるステップ１００８を含むことができる。

【0111】

さらに方法は、本明細書に記載の遺伝的アルゴリズムからの解に基づいて、非周期位置で複数のアレイ素子の位置を決定するステップを含むことができる。さらに方法は、所定の閾値を上回るピーク対サイドローブ比を複数のアレイ素子からの放射光信号ビームが有するように、光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）内の非周期位置にアレイ素子を位置決めするステップを含むことができ、ピーク対サイドローブ比は、放射ビームでのピークビーム強度対グレーティングローブ強度の比を含む。

【0112】

さらに方法は、放射光ビームの複数の走査角度のそれぞれで所定の閾値を上回るピーク対サイドローブ比を複数のアレイ素子からの放射光信号ビームが有するように、光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）内の非周期位置内にアレイ素子を位置決めするステップを含むことができる。さらに方法は、－６０度から＋６０度の間の複数の走査角度のそれぞれで所定の閾値を上回るピーク対サイドローブ比を複数のアレイ素子からの放射光信号ビームが有するように、光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）内の非周期位置内にアレイ素子を位置決めするステップを含むことができる。さらに方法は、光位相変調器のうちの１つ以上によって行われる位相調整の制御によって、放射光信号ビームが複数の走査角度にわたって連続してステアリング可能であるように、光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）内の非周期位置内にアレイ素子を位置決めするステップを含むことができる。

【0113】

さらに方法は、電磁放射線源から供給される単一のコヒーレント波長の電磁放射線を用いて、光位相変調器のうちの１つ以上で行われる位相調整の制御によって、複数のアレイ素子からの放射光信号ビームが複数の走査角度にわたって連続してステアリング可能であるように、光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）内の非周期位置内にアレイ素子を位置決めするステップを含むことができる。さらに方法は、光位相変調器のうちの１つ以上によって行われる位相調整の制御によって、複数のアレイ素子からの放射光信号ビームが２次元でステアリング可能であるように、光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）内の非周期位置内にアレイ素子を位置決めするステップを含むことができる。

【0114】

さらに方法は、レーザー源によって供給される電磁放射線の波長に対してアレイ素子が互いから離れて半波長よりも大きい間隔に置かれるように、光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）内の非周期位置にアレイ素子を位置決めするステップを含むことができる。

【0115】

図面に例示した例を参照し、これらを説明するために本明細書では特定の言語を用いた。しかしながら、それによって本技術の範囲を限定することは意図されていないことを理解されたい。本明細書で例示した特徴の修正及びさらなる変更、ならびに本明細書で例示した例のさらなる応用例は、説明の範囲内であると考えるべきである。

【0116】

本開示では、本明細書に記載のいくつかの実施形態または特徴が、本明細書に記載の他の実施形態または特徴と組み合わせられ得ることを明示的に開示していない場合があるが、本開示は、当業者によって実行可能な任意のそのような組み合わせを説明するために読まれるべきである。本開示において「または」を用いることは、本明細書において特に断りのない限り、非排他的または、すなわち「及び／または」を意味すると理解すべきである。

【0117】

さらに、記載した特徴、構造、または特性は、１つ以上の例において任意の好適な方法で組み合わせてもよい。前述の説明では、記載した技術の例の十分な理解を得るために、種々の構成の例など、多くの特定の詳細が提供された。しかし本技術は、特定の詳細の１つまたは複数を用いずに、または他の方法、コンポーネント、デバイスなどを用いて、実施され得ることが理解される。他の場合では、本技術の態様が不明瞭になることを避けるために、良く知られた構造または動作は図示することも詳細に説明することもしていない。

【0118】

主題は、構造的特徴及び／または動作に固有の言語で説明してきたが、添付の特許請求の範囲において規定される主題は、必ずしも前述した具体的な特徴及び動作に限定されないことを理解されたい。むしろ、前述した具体的な特徴及び作用は、特許請求の範囲を実施する形態例として開示される。記載した技術の趣旨及び範囲から逸脱することなく、多くの変更及び代替的な配置が考案され得る。

【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】

【国際調査報告】