JP2018517886A - ゼロ光路長差光フェーズドアレイ - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、米国仮特許出願第62/120,459号(2015年2月25日出願、名称「Zero Optical Path Difference (ZOPD) Phased Array」)の利益を主張し、上記出願の全内容は、あらゆる目的のために参照により本明細書に引用される。
本発明は、干渉計に関し、より具体的には、光導波管によって光学検波器に結合されるレセプターの操向可能フェーズドアレイを伴う干渉計に関する。
アンテナのフェーズドアレイは、一般に、着信無線周波数(RF)信号の方向が確認される必要があるか、またはRF信号が特定の方向に伝送される必要があるレーダおよび他の用途において使用される。1つ以上の受信機、送信機、または送受信機が、導波管または同軸ケーブル等のフィードラインを介して、アンテナのアレイに電気的に接続される。送信機の場合を例としてとると、送信機は、各アンテナにおける信号の位相が別個に制御されるように動作する。種々のアンテナによって放射される信号は、アンテナアレイの正面の空間内において、互いに建設的および破壊的に干渉する。信号が建設的に干渉する方向では、信号は、増強される一方、信号が破壊的に干渉する方向では、信号は、抑制され、それによって、所望の方向に有利に働く、アレイ全体の効果的放射パターンを生成する。種々のアンテナにおける位相、したがって、信号が伝搬する方向は、非常に迅速に変化させられ、それによって、そのようなシステムが電子的に操向され、例えば、ある方向の範囲にわたって掃引することを可能にすることができる。
本発明の実施形態は、ゼロ光路長差フェーズドアレイを含み、それは、一方の光学アンテナ等と、2つ以上の光学信号が結合するかまたは感知もしくは発生させられる他方の点との間の全光路が、約0.1%を上回る帯域幅における1コヒーレンス長内において等しい光学長であることを意味する。「コヒーレンス長」とは、λ2/Δλを意味し、λは、フェーズドアレイ上に衝突する、もしくはそれによって放出される光の波長、またはフェーズドアレイの設計波長であり、Δλは、光の帯域幅またはフェーズドアレイの設計帯域幅を意味する。いくつかの実施形態は、本明細書に説明されるように、最大離間光学結合器間の間隔によって光路長の均等性要件を緩和し、本質的に、フェーズドアレイの視程を傾斜させる。いくつかの実施形態は、光路長の均等性要件を設計波長の1未満の所定の割合に限定する。
記載されるように、いくつかの実施形態は、フェーズドアレイの視程を本質的に傾斜させるように、光路長の均等性要件を緩和する。図25は、フェーズドアレイの3つの光学結合器2500、2502、および2504の概略図である。等しい光学長経路は、フェーズドアレイを光学結合器2500−2504の平面と垂直な軸2506に沿って到着する光学信号に対して最大限に敏感にするであろう。
「四つ組セル」は、典型的には、正方形に配列される、4つのセンサまたはエミッタのアレイである。四つ組セルは、一般に、信号が受信される方向を確認するために使用される。4つのセンサの各々は、若干異なる軸外方向([+x、+y]、[+x、−y]、[−x、−y]、および[−x、+y])からの信号に最大限に応答するように調整され、軸は、四つ組セル全体と垂直である。検出後、4つの検出器からの信号は、軸に対する到着角度の測定値を計算するために差をとられ得る。
図11は、本発明の実施形態による、干渉計1100の概略平面図である。干渉計1100は、4つのフェーズドアレイ1102、1104、1106、および1108を含む。各フェーズドアレイ1102−1108は、本明細書に説明されるようなものであるが、簡単のために、各フェーズドアレイ1102−1108は、4つの光学結合器のみを伴って図11に示される。フェーズドアレイ1102−1108は、任意の所望の数の光学結合器を有し得る。4つのフェーズドアレイ1102−1108の出力1110は、ポート1112、1114、1116、および1118に光学的に接続される。ポート1112−1118は、光学エミッタである。ポート1112−1118は、単に、導波管1110の端部であり得るが、共通伝搬領域1120のインピーダンスにより良好に合致するようにテーパ状であり得る。
光フェーズドアレイは、本明細書に説明されるように、操向され得る範囲が限定され得、ある場合には、これらの範囲は、不十分であり得る。そのような場合、粗調整ビーム操向器が、1つ以上のフェーズドアレイの正面に光学的に配置され得る。図19は、そのような配列の概略側面図である。粗調整ビーム操向器1900は、フェーズドアレイ1902の正面に光学的に配置される。フェーズドアレイ1902は、微調整ビーム操向器として作用する。粗調整ビーム操向器1900は、フェーズドアレイ1902を上回る範囲にわたってシステムの視方向を選択的に変化させることが可能である。
記載されるように、光学センサからの信号は、光学信号が生じる方向を確認するために、プロセッサによって処理され得る。図22は、光学センサからの信号を処理する、コンピュータ2200の概略ブロック図である。コンピュータ2200の全部または一部は、フェーズドアレイと同一基板200および/または基板1600等の光学センサと同一基板上に実装され得る。随意に、または代替として、コンピュータ2200は、基板200または1600に接合され、電気的に接続される別個の基板上に実装され得る。
本明細書に説明される装置は、以下の非包括的リストを含む、いくつかの方法に従って、インコヒーレント光源への方向を決定するために使用され得る。図1−7を参照して説明されるフェーズドアレイ等の単一光フェーズドアレイは、最大信号受信の方向を確認するために、プロセッサ等によって電子的に操向され得る。図8−10を参照して説明される四つ組セルによって例示される、3つ以上の対称的に配列される光フェーズドアレイのn−セルからの信号が、2次元(例えば、xおよびy、すなわち、方位角および仰角)において、インコヒーレント光源への方向を確認するために、プロセッサ等によって処理され得る。1次元のみ(例えば、所与の方位角に関して仰角のみ)における方向の確認が十分である場合は2つ以上の対称的に配列される光フェーズドアレイを伴うn−セルが、使用され得る。随意に、n−セルからの信号は、図11−17を参照して説明される共通伝搬領域を通してフィードされ得、結果として生じる干渉縞は、プロセッサによって分析され、インコヒーレント光源への方向を確認し得る。随意に、n−セルの光フェーズドアレイは、最大信号受信の方向を確認するために、プロセッサ等によって、電子的に操向され得る。これらの方法のいずれも、図18を参照して説明されるように、光フェーズドアレイの光学結合器の前に、マイクロレンズを光学的に展開し得る。これらの方法のいずれも、図19−21を参照して説明されるように、各光フェーズドアレイの前に粗調整ビーム操向器を光学的に展開し、プロセッサによって粗調整ビーム操向器を制御し得る。これらの方法のいずれも、最大信号受信の方向を確認するために、プロセッサによって制御されるジンバルによって等、本明細書に説明される装置のいずれかを機械的に操向し得る。
相反定理によると、光学結合器のフェーズドアレイは、光学信号を所望の方向に優先的に伝送するために使用されることができる。したがって、本明細書に説明される光学結合器のフェーズドアレイのいずれも、光学プロジェクタとして使用され得る。例えば、光源520(図5)は、図22のコンピュータ2200の制御下、光522をフェーズド光学アレイ100のルートポートの中に放出し得る。コンピュータ2200は、動的に調整可能な光学遅延ライン512−518を動的に制御し、フェーズド光学アレイの遠視野放射パターンを動的に変化させ、それによって、遠視野を光で「塗装」し得る。
Claims (27)
- 約100nm〜約1mmの設計波長および設計帯域幅を有する光フェーズドアレイであって、前記光フェーズドアレイは、
ウエハと、
前記ウエハに対して所定のアレイにおいて配置されている第1の複数の光学結合器と、
前記ウエハに対して所定の場所において配置されている第1の光学ポートと、
前記ウエハに対して配置されている第1の複数の光学導波管と
を備え、
前記第1の複数の光学導波管は、全ての第1の光路の光学長が、約0.1%を上回る帯域幅における1コヒーレンス長+前記第1の複数の光学結合器の2つの最大離間光学結合器間の間隔内において等しいように、1つの第1の光学結合器につき1つの第1の光路で、前記第1の複数の光学結合器をそれぞれの第1の光路を介して前記第1のポートに光学的に接続している、光フェーズドアレイ。 - 前記第1の複数の光学導波管は、前記第1の光路が、建設的位相干渉を波面傾斜の所定の方向に偏らせるような様式においてそれぞれの徐々に増大した光路を含むように構成されている、請求項1に記載の光フェーズドアレイ。
- 全ての前記第1の光路の光学長は、前記設計波長の1未満の所定の割合内において等しい、請求項1に記載の光フェーズドアレイ。
- 全ての前記第1の光路の光学長は、約0.1%を上回る帯域幅における1コヒーレンス長内において等しい、請求項1に記載の光フェーズドアレイ。
- 前記基板は、シリコンウエハを備えている、請求項1に記載の光フェーズドアレイ。
- 前記第1の複数の光学結合器のうちの全ての光学結合器は、同一平面にある、請求項1に記載の光フェーズドアレイ。
- 前記第1の複数の光学導波管は、前記第1の複数の光学結合器から前記第1のポートまで延びている所定の第1のツリーを形成する、請求項1に記載の光フェーズドアレイ。
- 前記第1のツリーは、H−ツリーを備えている、請求項7に記載の光フェーズドアレイ。
- 前記第1の複数の光学導波管の各光学導波管は、前記基板の厚さ内のそれぞれのボアによって画定される、請求項1に記載の光フェーズドアレイ。
- 前記第1の複数の光学導波管の各光学導波管は、前記基板の厚さ内に配置されているそれぞれの固体光学媒体を備えている、請求項1に記載の光フェーズドアレイ。
- 前記第1の複数の光学導波管の各光学導波管は、前記ウエハの表面上に配置されている、請求項1に記載の光フェーズドアレイ。
- 第1の複数の動的に調整可能な光学遅延ラインをさらに備え、前記複数の動的に調整可能な光学遅延ラインの各動的に調整可能な光学遅延ラインは、前記第1の光路のうちのそれぞれの光路において配置されている、請求項1に記載の光フェーズドアレイ。
- 前記複数の動的に調整可能な光学遅延ラインの各動的に調整可能な光学遅延ラインは、熱的に位相調整可能な光学遅延ラインを備えている、請求項12に記載の光フェーズドアレイ。
- 前記ウエハに対して所定のアレイにおいて配置されている第2の複数の光学結合器と、
前記ウエハに対して所定の場所において配置されている第2の光学ポートと、
前記ウエハに対して配置されている第2の複数の光学導波管と
をさらに備え、
前記第2の複数の光学導波管は、全ての前記第1の光路および第2の光路の光学長が、約0.1%を上回る帯域幅における1コヒーレンス長+前記第2の複数の光学結合器の2つの最大離間光学結合器間の間隔内において等しくなるように、1つの第2の光学結合器につき1つの第2の光路で、それぞれの第2の光路を介して前記第2の複数の光学結合器を前記第2のポートに光学的に接続している、請求項1に記載の光フェーズドアレイ。 - 前記ウエハに対して所定のアレイにおいて配置されている第3の複数の光学結合器と、
前記ウエハに対して所定の場所において配置されている第3の光学ポートと、
前記ウエハに対して配置されている第3の複数の光学導波管と
をさらに備え、
前記第3の複数の光学導波管は、全ての前記第1の光路、前記第2の光路、および第3の光路の光学長が、約0.1%を上回る帯域幅における1コヒーレンス長+前記第3の複数の光学結合器の2つの最大離間光学結合器間の間隔内において等しくなるように、1つの第3の光学結合器につき1つの第3の光路で、それぞれの第3の光路を介して前記第3の複数の光学結合器を前記第3のポートに光学的に接続している、請求項14に記載の光フェーズドアレイ。 - 光学変換器の所定のアレイにおいて配置されている複数の光学変換器をさらに備え、
前記第1、第2、および第3の光学ポートは、前記光学変換器のアレイに対して所定のアレイにおいて配置され、共通光学伝搬領域を介して、前記光学変換器のアレイに光学的に接続されている、請求項15に記載の光フェーズドアレイ。 - 前記複数の光学変換器は、複数の光学センサを備え、前記光フェーズドアレイは、プロセッサをさらに備え、前記プロセッサは、前記複数の光学センサに接続され、前記複数の光学センサから前記複数の光学センサによって受け取られた光の強度を示す信号を受信し、前記プロセッサは、前記信号を分析し、前記光フェーズドアレイの遠視野からのインコヒーレント光の伝搬の前記ウエハに対する軸を計算するプロセスを実行する、請求項16に記載の光フェーズドアレイ。
- 前記第1、第2、および第3の光学ポートは、非冗長配列に従って間隔を置かれている、請求項17に記載の光フェーズドアレイ。
- 複数のマイクロレンズをさらに備え、前記複数のマイクロレンズの各マイクロレンズは、前記第1、第2、および第3のうちの1つの複数の光学結合器のうちのそれぞれの光学結合器に近接して配置されている、請求項17に記載の光フェーズドアレイ。
- 前記第1、第2、および第3の複数の光学導波管は、前記ウエハの第1の層内に配置され、
前記共通光学伝搬領域は、前記共通光学伝搬領域が、前記第1、第2、および第3の複数の光学導波管の下に光学的に折り畳まれるように、前記第1の層と平行し、前記第1の層から間隔を置かれている、前記ウエハの第2の層内に配置されている、請求項16に記載の光フェーズドアレイ。 - 電気的に制御可能な光学ビーム操向器をさらに備え、前記光学ビーム操向器は、前記第1の複数の光学結合器の前記第1の複数の光学導波管から光学的に別の側に配置されている、請求項1に記載の光フェーズドアレイ。
- 前記光学ビーム操向器は、複数の層を備え、
前記光学ビーム操向器の各層は、それぞれの第1の屈折率と、前記設計波長において前記層の第1の屈折率と異なるそれぞれの第2の屈折率とを有し、
各層の第2の屈折率は、前記設計波長において互いの層の第2の屈折率と異なり、
前記光学ビーム操向器の各層は、前記層の第1の屈折率と前記層の第2の屈折率との間で独立して電気的に切り替え可能である、請求項21に記載の光フェーズドアレイ。 - 前記光学ビーム操向器の各層は、複数のナノアンテナを備え、
各ナノアンテナは、第1のモードでは、所与の層の全てのアンテナ要素の電気長が等しく、第2のモードでは、前記所与の層のアンテナ要素の前記電気長が前記所与の層の厚さに沿って単調に増加するように、第1のモードおよび第2のモードを有する電子スイッチを介して互いに電気的に接続された2つのアンテナサブ要素を有する電気伝導性アンテナ要素を備えている、請求項22に記載の光フェーズドアレイ。 - 前記第1の光学ポートに光学的に結合されるインコヒーレント光源と、
第1の複数の動的に調整可能な光学遅延ラインであって、各動的に調整可能な光学遅延ラインは、前記第1の光路のうちのそれぞれの光路において配置されている、第1の複数の動的に調整可能な光学遅延ラインと、
前記インコヒーレント光源および前記第1の複数の動的に調整可能な光学遅延ラインに接続されているプロセッサと
をさらに備え、
前記プロセッサは、前記インコヒーレント光源の出力を制御することと、前記第1の複数の動的に調整可能な光学遅延ラインの各動的に調整可能な光学遅延ラインによって導入されるそれぞれの遅延量を制御することとを行い、それによって、前記ウエハに対して、前記第1の複数の光学結合器から前記光フェーズドアレイの遠視野の中へのインコヒーレント光の伝搬の放射パターンを制御する、請求項1に記載の光フェーズドアレイ。 - インコヒーレント光源への方向を確認する方法であって、前記方法は、
第1の複数の光学結合器によって、前記インコヒーレント光源から光を受け取ることと、
全ての第1の複数の光路の光学長が、約0.1%を上回る帯域幅における1コヒーレンス長+前記第1の複数の光学結合器の2つの最大離間光学結合器間の間隔内において等しくなるように、1つの光学結合器について1つの光路で、前記第1の複数の光学結合器によって受け取られた光を前記第1の複数の光路に沿って第1の複数の光学導波管を通して第1の光学ポートまで誘導することと、
前記第1の光学ポートによって、光学センサに向かって前記光を放出することと、
第1の複数の動的に調整可能な光学遅延ラインを自動的に調節することであって、前記第1の複数の動的に調整可能な光学遅延ラインの各動的に調整可能な光学遅延ラインは、前記第1の複数の光路のうちのそれぞれの光路において配置され、それによって、前記第1の複数の光学結合器の感度を前記光に操向する、ことと、
前記操向することに関連して、前記第1の光学センサによって、前記光の強度を感知することと、
前記光の強度および前記操向することに基づいて、前記インコヒーレント光源への方向を自動的に計算することと
を含む、方法。 - 第2および第3の複数の光学結合器によって、前記インコヒーレント光源から光を受け取ることと、
全ての前記第1の複数の光路、第2の複数の光路、および第3の複数の光路の光学長が、約0.1%を上回る帯域幅における1コヒーレンス長+前記第1の複数の光学結合器、第2の複数の光学結合器、および第3の複数の光学結合器の2つの最大離間光学結合器間の間隔内において等しくなるように、1つの光学結合器について1つの光路で、前記第2および第3の複数の光学結合器によって受け取られた光をそれぞれの第2および第3の複数の光路に沿ってそれぞれの第2および第3の複数の光学導波管を通してそれぞれの第2および第3の光学ポートまで誘導することと、
前記第2および第3の光学ポートによって、前記光学センサに向かって前記光を放出することであって、前記第1、第2、および第3の光学ポートによって前記光を放出することは、前記光を共通光学伝搬領域の中に放出することを含み、前記光学センサは、光学センサのアレイを備えている、ことと、
第2および第3の複数の動的に調整可能な光学遅延ラインを自動的に調節することであって、前記第2および第3の複数の動的に調整可能な光学遅延ラインの各動的に調整可能な光学遅延ラインは、それぞれの複数の光路において配置され、それによって、前記第2および第3の複数の光学結合器の感度を前記光に操向する、ことと、
前記光を前記第1、第2、および第3の光学ポートから前記共通光学伝搬領域を通して前記光学センサのアレイまで伝搬することと、
前記それぞれの操向することに関連して、前記光のそれぞれの強度を前記光学センサのアレイによって感知することと
をさらに含み、
前記インコヒーレント光源への方向を自動的に計算することは、前記光のそれぞれの強度および前記それぞれの操向することに基づいて、前記インコヒーレント光源への方向を自動的に計算することを含む、請求項25に記載の方法。 - 前記光が前記第1、第2、および第3の複数の光学結合器に衝突することに先立って、複数の層を備えている光学ビーム操向器によって、前記インコヒーレント光源からの光を操向することをさらに含み、
前記光学ビーム操向器の各層は、第1のモードでは、それぞれの第1の屈折率を有し、第2のモードでは、設計波長において前記層の第1の屈折率と異なるそれぞれの第2の屈折率を有し、
各層の第2の屈折率は、前記設計波長において互いの層の第2の屈折率と異なり、
前記光学ビーム操向器の各層は、前記層の第1の屈折率と前記層の第2の屈折率との間で独立して電気的に切り替え可能であり、
前記インコヒーレント光源への方向を自動的に計算することは、前記光のそれぞれの強度、前記それぞれの操向すること、および前記層のそれぞれのモードに基づいて、前記インコヒーレント光源への方向を自動的に計算することを含む、請求項26に記載の方法。
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