JP2022140574A - Ｍｅｍｓ作動垂直カプラアレイに基づくビーム誘導システム - Google Patents

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Abstract

【課題】集積された光学的ＭＥＭＳ作動ビーム誘導システムが開示される。【解決手段】ビーム誘導システムは、レンズと、スイッチングネットワークおよび垂直カプラの配列を有するプログラマブル垂直カプラ配列とを含み、ここで、スイッチングネットワークは、それが光を自由空間に効率的に放射するように、垂直カプラを励起することができる。レンズは、励起された垂直カプラから受信された光をコリメートし、垂直カプラ配列の中の励起された垂直カプラの位置によって決定される伝搬方向に沿って出力ビームを案内する。いくつかの実施形態では、垂直カプラは、レンズの収差を補正するように構成される。いくつかの実施形態では、２つ以上の垂直カプラが、複数の出力ビームの誘導を可能にするために励起され得る。いくつかの実施形態では、スイッチングネットワークは非ブロッキングである。【選択図】図１Ａ

Description

関連出願の相互参照
本事例は、参照により本明細書に組み込まれる、２０１８年６月１９日に出願された米国仮特許出願第６２／６８６，８４８号（代理人整理番号：３３２－００７ＰＲ１）の利益を主張する。
本事例における主張の解釈に影響を及ぼす可能性がある、本出願と、参照により組み込まれている事例との間の言語における矛盾または不一致が存在する場合、本事例における主張は、本事例における言語と一致するものと解釈されるべきである。
連邦政府委託研究に関する記載
本発明は、先端研究プロジェクト庁－エネルギー（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｊｅｃｔｓ Ａｇｅｎｃｙ－Ｅｎｅｒｇｙ）（ＡＲＰＡ－Ｅ）によって授与された契約番号ＤＥ－ＡＲ００００８４９のもとで米国政府の支援によってなされた。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。
本開示は、一般に、自由空間光通信に関し、より詳細には、自由空間ビーム誘導に関する。
アジャイルビーム誘導デバイスは、自由空間光通信だけでなく、ＬｉＤＡＲ（光検出と測距）、３Ｄイメージング、センシング、および顕微鏡用途のために必要とされる。それらのデバイスは、スキャニングおよび取得／ポインティング／追跡（ＡＴＰ）機能を提供する。伝統的なビーム誘導装置は、モータ駆動の機械的ジンバルを使用して、光学系全体を回転させる。不都合点として、モータ駆動のジンバルは、かさ高く、重く、かつ大量の電力を消費する。
集積されたビーム誘導システムは、ポータブルまたはモバイルのプラットフォームにおいて高い有用性を示し、「ソリッドステートＬｉＤＡＲ」の主要な要素になった。たとえば、コリメーションおよびビーム誘導は、従来技術では、レンズ（たとえば、テレセントリックレンズ、望遠鏡など）の焦点面に配置された光源を使用して、ならびにレンズの光軸の位置およびレンズの焦点面の中の光源の位置の配列を変えて実証されてきた。これは、光軸に対してマクロ光源（ｍａｃｒｏ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ）を動かすこと、焦点面の中に配置された光ファイバを動かすこと、および固定位置の光源に対してレンズを動かすことなどによって、様々な方法で行われてきた。
不都合点として、レンズおよび／または光源を動かすために必要な機械システムは、負荷の重量／剛性に起因して制限された周波数応答を有し、ＬｉＤＡＲおよび／または高速移動車両の間の自由空間通信に対してあまりに遅く、かつかさ高く、複雑で、遅くて高価である。
他の従来技術のビーム誘導システムは、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ－ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒｓ）の２次元（２Ｄ）配列の個々の素子を選択的に励起する電子クロスバースイッチに基づく。しかしながら、そのような手法は、レーザの大きい配列を必要とする。加えて、そのようなシステムは、ＶＣＳＥＬ源を必要とし、それは、いくつかの通信またはセンシングの用途に対してあまり適さない。
さらに他の従来技術のビーム誘導システムは、シリコンフォトニックベースの熱光学スイッチを使用して、面発光格子カプラ（ｓｕｒｆａｃｅ－ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｇｒａｔｉｎｇ ｃｏｕｐｌｅｒ）を活性化している。不都合点として、熱光学スイッチは、温度に敏感であり、制限された誘導能力を有し、高い電力消費量を有し、大規模ビーム誘導デバイスに対して適切に縮小拡張できない。
米国仮特許出願第６２／６８６，８４８号 米国特許出願第２０１６０３２７７５１号 国際出願第ＷＯ２０１８／０４９３４５号
Ｔ． Ｊ． Ｓｅｏｋら、「Ｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｌｉｃｏｎ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｓｗｉｔｃｈｅｓ ｗｉｔｈ ｖｅｒｔｉｃａｌ ａｄｉａｂａｔｉｃ ｃｏｕｐｌｅｒｓ」、Ｏｐｔｉｃａ、ｖｏｌ． ３、ｎｏ． １、６４ページ、２０１６年１月
実際的なビーム誘導技術は、いまだ、従来技術において利用できないままである。
本開示は、レンズの焦点面の中に配置された機械的にアクティブな垂直格子カプラ（すなわち、カプラ）の集積された光学ベースのプログラマブル２次元（２Ｄ）配列を含むビーム誘導装置を対象とする。レンズは、カプラのいずれかによって放射される自由空間光を、コリメートされた自由空間光ビームに変換するように配列される。プログラマブルカプラ配列は、基板上にモノリシックに集積され、どのカプラ（または複数のカプラ）が励起される（すなわち、光を受信して光を自由空間に放出する）かを制御するスイッチングネットワークを含む。スイッチングネットワークは、励起されないカプラへの漏洩を軽減し、それにより、光学的クロストークを軽減するように構成される。各自由空間光ビームの伝搬方向（すなわち、レンズの光軸に対するその出力角）は、レンズの光軸に対するそのそれぞれのカプラのｘ座標とｙ座標の関数である。本開示による実施形態は、ＬｉＤＡＲシステム、光通信システム、光干渉断層計および他の医用イメージングシステム、３次元イメージングおよびセンシング用途などにおける使用に対して特によく適する。
本開示による例示的な実施形態は、レンズと、（１）機械的にアクティブな集積された光学ベースのカプラの２次元配列および（２）どのカプラが励起されるかを制御するための集積された光学ベースのスイッチングネットワークを含むプログラマブル垂直カプラ配列とを含むビーム誘導システムである。
２Ｄ配列の各垂直カプラは、集積された光学的導波路の中に形成された格子構造を含み、ここで、導波路および格子は、導波路を通して伝搬する光信号の光エネルギーが格子によって自由空間に放出されるように構成される。
スイッチングネットワークは、オフ状態およびオン状態を有する異なるＭＥＭＳベースの光スイッチを介して、複数の行導波路の各々と光学的に結合可能であるバス導波路の入力ポートにおいて光信号を受信する。そのオフ状態では、スイッチにおいて受信された光信号は、バス導波路の中に留まり、実質的に光エネルギーが失われることなく、スイッチを通過する。そのオン状態では、光信号は、バス導波路からそのそれぞれの行導波路に完全に転送される。各スイッチは、スイッチにおいて両導波路の間の漏洩を軽減するためにスイッチがそのオフ状態にあるときに、バス導波路および行導波路が互いに光学的に分離されるように構成される。
各行導波路はまた、別のＭＥＭＳベースの光スイッチによって、カプラ配列の対応する行の中で各カプラと光学的に結合可能である。各行導波路スイッチのオフ状態では、行導波路を通って伝搬する光信号は、行導波路の中に留まり、実質的に光エネルギーが失われることなく、スイッチを通過する。そのオン状態では、光信号は、行導波路からそのそれぞれカプラに完全に転送される。
レンズは、各カプラによって自由空間の中に放出された光エネルギーを受信して、受信された光エネルギーをコリメートされた自由空間出力ビームに変換するように配列される。出力ビームは、レンズの光軸に対する垂直カプラのｘ座標およびｙ座標に基づく伝搬方向に沿って案内される。
いくつかの実施形態では、単一の垂直カプラのみが、一度に励起され得る。いくつかの実施形態では、スイッチングネットワークは、複数の垂直カプラが所与の時間に励起されることを可能にする。いくつかの実施形態では、スイッチングネットワークは完全に非ブロッキングであり、それにより、各垂直カプラが、任意の他の垂直カプラの状態にかかわらずに励起されることを可能にする。
いくつかの実施形態では、レンズおよびカプラ配列の配列は制御可能である。
本開示による実施形態は、光軸（Ａ１）および焦点面（ＦＰ１）を有するレンズ（１０２）と、プログラマブル垂直カプラ配列（１０４）とを含むビーム誘導システム（１００）であり、プログラマブル垂直カプラ配列（１０４）は、基板（１１４）と、中心点（ＣＰ１）で特徴づけられる２次元配列でありかつ複数のカプラ行（ＣＲ）および複数のカプラ列（ＣＣ）を有するカプラ（１１２）の配列であって、カプラの配列の各カプラは、カプラ導波路（４０２）およびカプラ導波路から受信された光エネルギーを自由空間に放出するように構成された垂直結合要素（４０８）を含む、カプラ（１１２）の配列と、基板上に配置され、第１の光信号（１２０）を受信するための第１の入力ポート（ＩＰ１）を有するバス導波路（２０２）と、基板上に配置された複数の行導波路（２０４）と、第１の入力ポートからカプラの配列のうちの任意のカプラに第１の光信号（１２０）の伝搬を制御するために作動するスイッチングネットワーク（１１０）とを含み、レンズおよびプログラマブル垂直カプラ配列は、レンズが、複数の垂直結合要素の各垂直結合要素によって放出された光エネルギーを受信し、光エネルギーを、プログラマブル垂直カプラ配列の中のその垂直結合要素の位置、およびレンズと少なくとも１つの次元のプログラマブル垂直カプラ配列との第１の相対位置に基づく出力軸に案内するように配列される。
本開示による別の実施形態は、光ビームを誘導するための方法であり、方法は、（１）光軸（Ａ１）および焦点面（ＦＰ１）を有するレンズ（１０２）を提供するステップと、（２）プログラマブル垂直カプラ配列（１０４）を配置するステップであって、プログラマブル垂直カプラ配列は、基板（１１４）上に配置され、中心点（ＣＰ１）で特徴づけられる２次元配列として配列されかつ複数のカプラ行（ＣＲ）および複数のカプラ列（ＣＣ）を有するカプラ（１１２）の配列であって、カプラの配列の各カプラがカプラ導波路（４０２）とカプラ導波路から受信された光エネルギーを自由空間に放出するように構成された垂直結合要素（４０８）とを含む、カプラ（１１２）の配列と、基板上に配置され、第１の入力ポート（ＩＰ１）を有するバス導波路（２０２）と、基板上に配置された複数の行導波路（２０４）と、第１の入力ポートからカプラの配列のうちの任意のカプラへの第１の光信号（１２０）の伝搬を制御するために作動するスイッチングネットワーク（１１０）とを含む、ステップと、（３）レンズが、複数の垂直結合要素の各垂直結合要素によって放出された光エネルギーを受信しかつ光エネルギーをプログラマブル垂直カプラ配列の中のその垂直結合要素の位置、およびレンズと少なくとも１つの次元のプログラマブル垂直カプラ配列との第１の相対位置に基づく出力軸に案内するようにレンズおよびプログラマブル垂直カプラ配列を配列するステップと、（４）第１のカプラがレンズへの第１の光信号に基づいて第２の光信号（１２０’）を供給し、第１のカプラが第１の位置（ｘ１、ｙ１）に配置されるように第１の光信号を入力ポートからカプラの配列のうちの第１のカプラに案内するようにスイッチングネットワークを制御するステップと、（５）第２の光信号をコリメートし、第１の位置に基づく出力軸（Ａ２）に沿って案内するステップとを含む。
本開示による、ビーム誘導システムの例示的な実施形態の概略側面図である。 本開示による、ビーム誘導システムの例示的な実施形態の概略上面図である。 本開示による、１つのビーム誘導状態における例示的なビーム誘導システムの概略斜視図である。 本開示による、別のビーム誘導状態における例示的なビーム誘導システムの概略斜視図である。 例示的実施形態による、カプラ配列の概略動作図である。 ＭＥＭＳ光スイッチ２０６の概略上面図である。 「オフ」状態にある代表的ＭＥＭＳ光スイッチ２０６の概略斜視図である。 オン状態にある代表的ＭＥＭＳ光スイッチ２０６の概略斜視図である。 例示的実施形態による、例示的ＭＥＭＳ制御垂直カプラの概略上面図である。 「オフ」状態にあるＭＥＭＳ制御垂直カプラ２１２の概略断面図である。 オン状態にあるＭＥＭＳ制御垂直カプラ２１２の概略断面図である。 本開示による、ＭＥＭＳ制御垂直カプラの代替実施形態の概略上面図である。 「オフ」状態にあるＭＥＭＳ制御垂直カプラ２１２Ａの概略図である。 オン状態にあるＭＥＭＳ制御垂直カプラ２１２Ａの概略図である。 ＭＥＭＳ制御垂直カプラ２１２Ｂの概略図である。 本開示による、代替プログラマブルカプラ配列を示す図である。 本開示による、別の代替プログラマブルカプラ配列を示す図である。 本開示による、代替ビーム誘導システムの概略側面図である。
図１Ａおよび図１Ｂは、本開示によるビーム誘導システムの例示的な実施形態の側面および上面の概略図を示す。ビーム誘導システム１００は、レンズ１０２と、プログラマブルカプラ配列１０４と、コントローラ１０６とを含む。システム１００は、入力光信号１２０を受信し、その光エネルギーを自由空間出力ビーム１０８としてコリメートして、出力ビームを３次元ボリュームを通して誘導するように構成される。図示の例では、光信号１２０は連続波（ＣＷ）信号であるが、システム１００は、事実上任意の光信号（たとえば、周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）信号、ＬｉＤＡＲ信号、光パルスなど）に対して作動する。
レンズ１０２は、光軸Ａ１と、焦点面ＦＰ１を画定する焦点距離ｆとを有する、単一の凸凸屈折レンズである。いくつかの実施形態では、レンズ１０２は、複合レンズ（たとえば、テレセントリックレンズなど）、またはたとえば、１つまたは複数の収差を補正するか、もしくは場合によっては光学性能を改善するように構成された他の多素子レンズなど、異なるタイプのレンズである。いくつかの実施形態では、レンズ１０２は、平凸レンズである。いくつかの実施形態では、レンズ１０２は、一般的に低コストであってモバイルシステムを可能にし得る携帯電話レンズである。いくつかの実施形態では、レンズ１０２は、回折レンズ、ホログラフィック素子、メタサーフェスレンズなどの回折素子である。
プログラマブルカプラ配列１０４（以後、カプラ配列１０４と呼ぶ）は、スイッチングネットワーク１１０と、垂直カプラ１１２（１，１）～１１２（Ｍ，Ｎ）（カプラ１１２と総称する）とを含む。垂直カプラ１１２は、カプラ行ＣＲ－１～ＣＲ－Ｍ（カプラ行ＣＲと総称する）とカプラ列ＣＣ－１～ＣＣ－Ｎ（カプラ列ＣＣと総称する）とを含む２次元配列として配列される。
図示の例では、スイッチングネットワーク１１０およびカプラ１１２は、基板１１４上にモノリシックに集積されるが、いくつかの実施形態では、プログラマブルカプラ配列１０４の１つまたは複数の要素は、バンプボンディング、マルチチップモジュールパッケージングなど、異なる集積方法を使用して基板１１４上に配置される。
図示の例では、基板１１４はシリコン基板である。シリコン基板の使用は、カプラ配列１０４の能力を増大することができる集積回路および／または他の回路の容易な包含を可能にする。いくつかの実施形態では、そのようなオンチップ能力は、信号変調、位相シフト、光検知器、処理、メモリ、信号調整、前置増幅、エネルギースカベンジングおよび／または貯蔵などのための電子機器を含む。いくつかの実施形態では、ＬｉＤＡＲシステムのすべての電子機器機能は、基板１１４上にモノリシックに集積される。
コントローラ１０６は、高精度の多軸位置決めシステム、ボイスコイル、圧電アクチュエータ、ＭＥＭＳアクチュエータなどの位置決めシステムを介してｘ次元、ｙ次元およびｚ次元の各々の中でレンズ１０２およびカプラ配列１０４の位置を制御するように構成された従来型コントローラである。コントローラ１０６は、スイッチングネットワーク１１０の状態を、それゆえカプラ配列のうちのどの１つまたは複数のカプラが励起されるかを制御するためにも作動する。いくつかの実施形態では、コントローラ１０６は、少なくとも部分的にカプラ配列１０４上に集積される。
本開示は、ビーム誘導用途に向けられるが、本明細書で開示する教示はまた、誘導可能レシーバ（すなわち、受信する方向が制御可能なレシーバ）だけでなく、ビーム誘導トランスミッタと誘導可能レシーバの両方を含むトランシーバにも適用可能であることに留意されたい。
図示の例では、レンズ１０２およびカプラ配列１０４は、それらが同心であり、それらの間の間隔ｓ１がレンズ１０２の焦点距離ｆに等しくなるように配列される。その結果、カプラ１１２の平面は、実質的に焦点面ＦＰ１に配置され、光軸Ａ１は、カプラ１１２の配列上に中心が置かれ、それにより、中心点ＣＰ１を画定する。いくつかの実施形態では、レンズ１０２は、レンズおよびカプラ配列が、レンズの焦点距離以外の距離によって分離されるように、および／または光軸Ａ１の中心がカプラ配列のカプラ１１２の配列上に置かれないように配置される。
図示の例では、コントローラ１０６は、随意に、レンズ１０２およびカプラ配列１０４の、ｘ次元およびｙ次元の各々における横調整を制御するために、スキャン方向ＳＤ１に沿ってレンズ１０２をスキャンするように構成される。そのような横スキャニング能力は、出力ビーム１０８が、カプラ配列の中の各カプラの固定位置によって指示される角度の間を円滑に動かされ、それにより固定位置システムによって可能な数より多数の解像可能な点を実現することを可能にする。いくつかの実施形態では、コントローラ１０６は、レンズとカプラ配列との間の垂直間隔ｓ１を制御し、それにより、出力ビーム１０８が空間の中の異なる点において集束することを可能にするようにさらに構成される。レンズとカプラ配列との間の横調整は、レンズ１０２のみ、カプラ配列１０４のみを動かすことによって、またはレンズとカプラ配列の両方を動かすことによって制御され得ることに留意されたい。
スイッチングネットワーク１１０は、行スイッチ１１６と列スイッチ１１８とを含み、それらは、プログラマブルカプラ配列全体を通して光信号１２０の光エネルギーの分配を全体的に制御する。図示の例では、スイッチングネットワーク１１０は、光信号１２０の光エネルギーのすべを１つだけのカプラ１１２に案内するように構成される。スイッチングネットワーク１１０は、図２に関して以下でより詳細に説明する。
カプラ１１２（ｉ，ｊ）、ここでｉ＝１～Ｍおよびｊ＝１～Ｎ、の各々は、カプラ配列１０４の中の集積された光学的導波路（すなわち、カプラ導波路）の構造の中に集積され、その出力光信号１２０’が、そのそれぞれのカプラとレンズ１０２の中心との間の幾何学的な線と実質的に整列された出力軸Ａ２で特徴づけられるように構成された回折格子を含む。いくつかの実施形態では、カプラ１１２の少なくとも１つの回折格子が、高効率を達成するためにブレーズド回折格子であることが好ましい。加えて、図示の例では、カプラ１１２の各々は、光信号１２０’の各々が、レンズ１０２の開口部を実質的に満たすような大きい分散角によって特徴づけられる。各カプラ１１２の設計は、一般的に、カプラ配列１０４を有するその位置に基づくことに留意されたい。
光軸Ａ２とレンズ１０２の中心との調整によって、光信号１２０’は、レンズの開口部のより大きい部分を照明し、そのことが、遠視野における出力ビーム１０８の発散角を軽減し、出力ビーム１０８がその分解能で誘導され得る分解能を高める。
各カプラ１１２（ｉ，ｊ）は、それが、オン状態とオフ状態との間で切り替えられ得るように構成される。そのオン状態では、カプラ１１２（ｉ，ｊ）は、その格子構造が光信号１２０を受信し、その光エネルギーを光信号１２０’（ｉ，ｊ）として自由空間に散乱させるように、入力ポートＩＰ１と光学的に結合される。そのオフ状態では、カプラ１１２（ｉ，ｊ）は、入力ポートＩＰ１から光学的に切り離され、その格子構造は、光信号１２０を受信しない。好ましくは、各カプラ１１２は、レンズ１０２の収差を補正するように設計される。カプラ１１２の格子素子に対する多くの異なる設計は、１次元格子または２次元格子を含めて、本発明の範囲の中に入ることに留意されたい。
レンズ１０２は、カプラ配列１０４の中の信号１１２（ｉ，ｊ）の位置に依存する光軸Ａ１からの距離において光信号１２０’（ｉ、ｊ）を受信する。その結果、異なる垂直カプラによって放射されたすべての光信号がコリメートされ、レンズ１０２によって異なる出力軸Ａ２（ｉ、ｊ）に沿って誘導される。
図１Ｃ～図１Ｄは、異なるビーム誘導状態における、本開示による、例示的ビーム誘導システムの概略斜視図を示す。ビーム誘導システム１００Ａは、プログラマブルカプラ配列１０４が、３ｘ３配列に配列された９つだけのカプラ１１２Ａ（すなわち、カプラ１１２Ａ（１，１）～１１２Ａ（３，３））を含むビーム誘導システム１００の一例である。さらに、図１Ｃ～図１Ｄでは、カプラ１１２Ａ（１，１）～１１２Ａ（３，３）の各々は、図７に関して以下で説明するように、カプラ配列１０４の平面に実質的に垂直である伝搬方向に沿って伝搬する比較的より狭い光信号を実現する放射パターンを有する代替カプラ、すなわち具体的には、従来型の垂直格子カプラ、の一例であることに留意されたい。
図１Ｃは、カプラ１１２（１，１）だけがそのオン状態にあるビーム誘導状態にあるシステム１００Ａを示す。その結果、カプラ１１２（１，１）は光信号１２０を受信し、それを光信号１２０’（１，１）として自由空間に放出する。レンズ１０２は、光信号１２０’（１，１）を受信し、それをコリメートし、出力ビーム１０８（１，１）として出力軸Ａ２（１，１）に沿って案内する。出力ビーム１０８（１，１）は、角度θｘ１およびθｙ１に向けられる出力軸Ａ２（１，１）に沿って伝搬する。角度θｘ１およびθｙ１は、光軸Ａ１に対する、それぞれｘ－ｚ平面およびｙ－ｚ平面の中の角度である。角度θｘ１およびθｙ１は、式：θｘ＝－ｔａｎ－１（ｘ／ｆ）およびθｙ＝－ｔａｎ－１（ｙ／ｆ）によって与えられ、ここで、ｆはレンズ１０２の焦点面であり、（ｘ，ｙ）は、中心点ＣＰ１に対するｘ－ｙ平面（すなわち、垂直カプラ配列の焦点面）の中の励起された格子カプラの座標である。
図１Ｄは、カプラ１１２（３，３）だけがそのオン状態にあるビーム誘導状態にあるシステム１００Ａを示す。その結果、カプラ１１２（３，３）は光信号１２０を受信し、それを光信号１２０’（３，３）として自由空間に放出する。レンズ１０２は、光信号１２０’（３，３）を受信し、それをコリメートし、出力ビーム１０８（３，３）として出力軸Ａ２（３，３）に沿って案内する。出力ビーム１０８（３，３）は、角度θｘ２およびθｙ２に向けられる出力軸Ａ２（３，３）に沿って伝搬する。
図２は、例示的実施形態による、カプラ配列の概略動作図を示す。カプラ配列１０４は、スイッチングネットワーク１１０、カプラ１１２、バス導波路２０２、および行導波路２０４－１～２０４－Ｍを含む。
図２に示すように、カプラ配列１０４は、ＭＥＭＳ光スイッチ２０６－１および列スイッチ配列２０８－１がそれぞれ、それらのオン状態にある一方で、すべての他のＭＥＭＳ光スイッチ２０６および列スイッチ配列２０８が、それらのオフ状態にある、例示的スイッチ構成である（以下で説明する）。その結果、光信号１２０は、ＭＥＭＳ光スイッチ２０６－１によってバス導波路２０２から行導波路２０４－１に、次いで、列スイッチ配列２０８－１によって行導波路２０４－１からカプラ１１２（１，１）に方向転換される。
バス導波路２０２および行導波路２０４－１～２０４－Ｍ（行導波路２０４と総称する）の各々は、単一結晶シリコンのコアを有する単一モードのリッジ導波路である。図示の例では、バス導波路および行導波路は、同一平面上にある。いくつかの実施形態では、バス導波路および行導波路のうちの少なくとも１つは、マルチモードの導波路である。いくつかのそのような実施形態では、マルチモードの導波路は、大きい幅を含み、光学的損失を低減するべくその基本モードが励起され得るように構成される。
図示の例は、シリコンベースのリッジ導波路であるバス導波路および行導波路（および以下で説明するシャント導波路および結合導波路）を含むが、いくつかの実施形態では、異なる導波路構造（たとえば、リブ導波路など）および／または異なる導波路材料のシステムが、少なくとも１つの導波路のために使用される。たとえば、窒化シリコンコア導波路などの誘電体ベースの導波路の使用では、より低い光学的損失および／または増大された光出力処理能力（ピークまたは平均）を有するシステムを実現することができ、それは、非線形効果などを軽減することができる。
スイッチングネットワーク１１０は、行スイッチ１１６および列スイッチ１１８を含む。
行スイッチ１１６は、ＭＥＭＳ光スイッチ２０６－１～２０６－Ｍ（ＭＥＭＳ光スイッチ２０６と総称する）を含む１ｘＭ個のスイッチであり、それは、バス導波路２０２と行導波路２０４－１～２０４－Ｍそれぞれとの間の光結合を制御するための、別々に制御可能な１ｘ２個の集積された光学ベースのＭＥＭＳスイッチである。
図３Ａは、ＭＥＭＳ光スイッチ２０６の概略上面図を示す。
図３Ｂ～図３Ｃは、それぞれ、その「オフ」状態およびオン状態にある代表的ＭＥＭＳ光スイッチ２０６の概略斜視図を示す。
ＭＥＭＳ光スイッチ２０６は、バス導波路２０２の一部、行導波路２０４の一部、シャント導波路３０２、およびＭＥＭＳアクチュエータ３０４（図３Ｂ～図３Ｃに示さず）を含む。
図示の例では、バス導波路２０２および行導波路２０４の一部は、それらの間で導波路が交差しないように配列される。その結果、非常に低い光学的挿入損失だけでなく、実質的にゼロの導波路間の光学的クロストークも達成することができる。しかしながら、いくつかの実施形態では、２つの導波路の部分は、好ましくは、それらが直交して、ＭＥＭＳ光スイッチ２０６がそのオフ状態にあるときにバス導波路２０２の行導波路２０４への漏洩を軽減するように、交差点において交差する。いくつかの実施形態では、バス導波路２０２は、マルチモード干渉（ＭＭＩ）領域と、ＭＭＩ領域の中に至りその外に出るテーパとを含む。いくつかの実施形態では、バス導波路２０２および行導波路２０４は、それらの共通基板の上の異なる平面の中に形成される。
シャント導波路３０２は、端部３０６－１と３０６－２との間に延びる導波路部である。シャント導波路３０２は、バス導波路２０２および行導波路２０４に類似するが、シャント導波路３０２は、バス導波路および行導波路に対して可動であるように構成される。
端部３０６－１および３０６－２（端部３０６と総称する）は、導波路部３０８－１および３０８－２それぞれの真上に整列され、ここで導波路部３０８－１および３０８－２（導波路部３０８と総称する）は、バス導波路２０２および行導波路２０４それぞれの一部である。
図３Ａ～図３Ｃに明確には示されないが、一般的に、シャント導波路３０２は、ＭＥＭＳ光スイッチ２０６がオン状態にあるときに端部３０６と導波路部３０８との間に正確な垂直間隔を確立するためにその下面から延びる突出部も含む。
ＭＥＭＳアクチュエータ３０４は、導波路部３０８－１および３０８－２に対するシャント導波路３０２および端部３０６の垂直位置を制御するために作動する静電ＭＥＭＳ垂直アクチュエータである。ＭＥＭＳアクチュエータ３０４は、図４Ａ～図４Ｃに関して以下でより詳細に説明する。
ＭＥＭＳ光スイッチ２０６は、図示の実施形態では静電ＭＥＭＳ垂直アクチュエータを含むが、当業者には、本明細書を読めば、端部３０６と導波路部３０８との間の間隔を制御するために好適な任意のアクチュエータを、いかにして規定し、作製し、かつ使用するかが明らかとなろう。本発明における使用に好適なアクチュエータには、限定はしないが、垂直アクチュエータ、横アクチュエータ、および垂直と横の両方に作動するアクチュエータが含まれる。さらに、本発明によるアクチュエータには、限定はしないが、電熱、熱、磁気、電磁、静電コームドライブ、磁歪、圧電、流体、空気圧のアクチュエータなどを含む。
ＭＥＭＳ光スイッチ２０６がその切り替えられていない（すなわち「オフ」）状態にあるとき、シャント導波路３０２は、端部３０６－１および３０６－２が導波路部３０８－１と３０８－２から距離ｄ１だけ離隔される第１の位置に保持される。距離ｄ１は、光エネルギーが、端部３０６とそれらのそれぞれの導波路部との間で実質的に転移しないことを確実にするのに十分な大きさを有する。その結果、光信号１２０はＭＥＭＳ光スイッチ２０６をバイパスし、実質的に摂動することなくバス導波路２０２を通って伝搬することを継続する。
ＭＥＭＳ光スイッチ２０６がその切り替えられた（すなわち「オン」）状態にあるとき、シャント導波路３０２は、端部３０６が導波路部３０８から距離ｄ２だけ離隔され、それにより指向性カプラ３１０－１および３１０－２を画定する、第２の位置に移される。距離ｄ２は、シャント導波路の底の突出部の高さによって決定され、光信号１２０の光エネルギーが、指向性カプラ３１０－１において導波路部３０８－１から端部３０６－１に、および指向性カプラ３１０－２において端部３０６－２から導波路部３０８－２に実質的に完全に転移することを可能にする大きさを有する。その結果、光信号１２０は、バス導波路２０２から行導波路２０４に実質的に完全に切り替えられる。
ＭＥＭＳ光スイッチ２０６は、集積された光学ベースのＭＥＭＳ光スイッチの一例にすぎないことに留意されたい。本開示の教示による使用に好適なＭＥＭＳスイッチの追加の例は、Ｔ． Ｊ． Ｓｅｏｋら、「Ｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｌｉｃｏｎ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｓｗｉｔｃｈｅｓ ｗｉｔｈ ｖｅｒｔｉｃａｌ ａｄｉａｂａｔｉｃ ｃｏｕｐｌｅｒｓ」、Ｏｐｔｉｃａ、ｖｏｌ． ３、ｎｏ． １、６４ページ、２０１６年１月、ならびに米国特許出願第２０１６０３２７７５１号、および国際出願第ＷＯ２０１８／０４９３４５号によって記載されており、それらの各々は、参照により本明細書に組み込まれる。これらの出版物に記載されるそのようなＭＥＭＳスイッチは、従来技術のビーム誘導システムに対して、本開示によるプログラマブルカプラ配列に対する多くの利点を提示する。特に、そのようなスイッチは、従来の電気光学または熱光学のスイッチよりかなり低い光学的損失を有し、それらの光学的クロストーク（－６０ｄＢ未満）および電力消費（１０マイクロワットまで）は、従来のスイッチより数桁低く、それらはデジタルモードで動作することができる。これらの利点は、従来技術で可能なものより比較的高いスループット（すなわち、より低い光学的挿入損失）および比較的高い分解能（すなわち、より高密度の格子カプラ）ならびに単純なデジタル制御を有するビーム誘導デバイスを可能にする。
ここで図２に戻ると、列スイッチ１１８は、列スイッチ配列２０８－１～２０８－Ｎ（列スイッチ配列２０８と総称する）を含む１ｘＮ個のスイッチである。
図示の例では、各列スイッチ配列２０８は、Ｍ個の実質的に同一のＭＥＭＳ光スイッチ２１０を含み、それらの各々はＭＥＭＳ光スイッチ２０６に類似するが、各ＭＥＭＳ光スイッチ２１０は、それぞれのカプラ１１２と行導波路２０４との間の光結合を制御するように構成される。各ＭＥＭＳ光スイッチ２１０およびその関連するカプラ１１２は、ＭＥＭＳ制御垂直カプラ２１２を全体的に画定する。
図示の例では、各列スイッチ配列２０８のＭＥＭＳ光スイッチ２１０のすべては、それらが同じ制御信号ですべて制御されるように「連動」される（ｇａｎｇｅｄ ｔｏｇｅｔｈｅｒ）。その結果、各列スイッチ配列２０８は、カプラ配列１０４のそのそれぞれの列におけるすべてのＭ個のカプラ１１２とそれらのそれぞれの行導波路との間の光結合を同時に制御する。そのようなスイッチ配列構成は、多数のカプラ（たとえば、ＭおよびＮの各々が１０００以上であるＭｘＮ配列）を有し、各カプラが個々にアドレス指定される場合にはＭｘＮ個の制御信号が必要である、ビーム誘導システムに対して特に有利である。大規模システムに対して、電気入力／出力（Ｉ／Ｏ）の数は、標準的な電気パッケージング限界をすぐに超える。しかしながら、列スイッチ配列２０８などのスイッチ配列の使用では、制御信号の数をＭｘＮからＭ＋Ｎに低減する「行－列」アドレス指定方式を可能にすることによって、必要な電気的制御信号の数を顕著に低減することができる。
各ＭＥＭＳ制御垂直カプラ２１２のオン状態では、そのＭＥＭＳ光スイッチ２１０は、そのそれぞれの行導波路２０４をそのそれぞれのカプラ１１２と光学的に結合する。その結果、光信号１２０が、その行導波路を通って伝搬しているとき、その光エネルギーは、そのカプラ１１２に方向転換される。各ＭＥＭＳ制御垂直カプラ２１２のオフ状態では、そのＭＥＭＳ光スイッチ２１０は、そのそれぞれの行導波路とカプラとを光学的に結合せず、それゆえ、光信号１２０は、行導波路の中に留まって、そのカプラをバイパスする。
図４Ａは、例示的実施形態による、例示的ＭＥＭＳ制御垂直カプラの概略上面図を示す。ＭＥＭＳ制御垂直カプラ２１２は、ＭＥＭＳ光スイッチ２１０とカプラ１１２とを含む。
図４Ｂ～図４Ｃは、それぞれ、その「オフ」状態およびオン状態にあるＭＥＭＳ制御垂直カプラ２１２の概略断面図を示す。図４Ｂ～図４Ｃに示す断面図は、図４Ａに示す線ａ－ａを通して取られる。
ＭＥＭＳ光スイッチ２１０は、ＭＥＭＳアクチュエータ４０４と動作可能に結合されたカプラ導波路４０２の一部を含む。
カプラ導波路４０２は、シャント導波路３０２に類似し、可動端部４０６－１から固定端部４０６－２に光を搬送するように構成され、固定端部４０６－２において、垂直結合要素４０８が配置され、それによりカプラ１１２が画定される。図示の例では、垂直結合要素４０８は、光軸Ａ１が中心点ＣＰ１と整列されているとき、その光エネルギーをレンズ１０２の中心の方に案内するように構成された回折格子である。いくつかの実施形態では、垂直結合要素４０８のうちの少なくとも１つは、所望の出力光信号１２０’を供給するのに好適な異なる光学素子を含む。垂直結合要素４０８における使用に好適な光学素子は、限定はしないが、プリズム、ホログラム、２次元格子構造、回折レンズ、回折格子素子、屈折レンズ、角度エッチング導波路ファセットミラー、角度エッチング導波路、角度付きミラーなどを含む。
可動端部４０６－１において、カプラ導波路４０２は、ＭＥＭＳアクチュエータ４０４に取り付けられる。
固定端部４０６－２において、カプラ導波路４０２は、下部の基板１１４から上に突き出る硬い要素であるアンカー４１０のペアに物理的に取り付けられる。カプラ導波路は、この領域の中の硬い構造要素に添付されるので、行導波路２０４の上のその高さは固定される。
ＭＥＭＳアクチュエータ４０４は、上記で説明したＭＥＭＳアクチュエータ３０４に類似し、アンカー４１０の別のペアに接続される支柱４１２、電極４１４およびテザー４１６を含む。
支柱４１２は、可動端部４０６－１を電極４１４の各々に接続する実質的に硬い要素である。
電極４１４は、電極の２つのペアの間に印加された電圧が、電極、支柱および可動端部を基板の方に引っ張る静電力を生じ、それにより、カプラ導波路４０２と行導波路２０４との間の間隔が低減されるように、基板１１４（図示せず）上に配置された電極のマッチングペアの上に配置される。
テザー４１６は、ｚ方向に柔軟であるがｘ方向およびｙ方向に沿って実質的に硬い「ばねのような」要素である。テザー４１６の柔軟性は、行導波路２０４に対する可動端部４０６－１の運動を可能にする。
ＭＥＭＳアクチュエータ４０４が、その非作動状態にあるとき、可動端部４０６－１は、行導波路２０４から距離ｄ１だけ離隔される。その結果、２つの導波路は、上記で説明したように、光学的に結合されず、カプラ１１２はそのオフ状態にある。
ＭＥＭＳアクチュエータ４０４がその作動状態にあるとき、可動端部４０６－１は、それが、突出部４１８の高さによって決定される距離ｄ２だけ行導波路２０４から離隔されることになるように、下方に引き下げる。その結果、２つの導波路は、実質的にすべての光信号１２０がカプラ導波路４０２にエバネッセント結合して、格子素子４０８に伝搬することを可能にする指向性カプラ４２０を全体的に画定する。次いで、光信号の光エネルギーは、格子素子４０８によって自由空間に放出され、カプラ１１２はそのオン状態にある。
ＭＥＭＳ制御垂直カプラ２１２は例にすぎず、ＭＥＭＳ制御垂直カプラ２１２に対する無数の代替設計は、本開示の範囲内に入ることに留意されたい。
たとえば、いくつかの実施形態では、カプラ導波路は、ＭＥＭＳ制御垂直カプラ２１２の中に含まれず、格子素子は、ＭＥＭＳアクチュエータ４０４自体の上に配置される。
図４Ｄは、本開示による、ＭＥＭＳ制御垂直カプラの代替実施形態の概略上面図を示す。ＭＥＭＳ制御垂直カプラ２１２Ａは、ＭＥＭＳアクチュエータ４０４、格子素子４０８、プラットフォーム４２２、およびカプラ導波路４２４を含む。
プラットフォーム４２２は、ＭＥＭＳアクチュエータの中心に形成された実質的に硬い構造要素である。プラットフォーム４２２は、カプラ導波路４０２の可動部分に類似するカプラ導波路４２４を含む。
図４Ｅ～図４Ｆは、それぞれ、そのオフ状態およびオン状態にあるＭＥＭＳ制御垂直カプラ２１２Ａの概略図を示す。図４Ｅ～図４Ｆに示す断面図は、図４Ｄに示す線ｂ－ｂを通して取られる。
ＭＥＭＳアクチュエータ４０４が、その非作動状態にあるとき、可動端部４０６－１は、行導波路２０４から距離ｄ１だけ離隔される。その結果、２つの導波路は光学的に結合されず、カプラ１１２はオフ状態にある。
ＭＥＭＳアクチュエータ４０４がその作動状態にあるとき、行導波路２０４およびカプラ導波路４２４は指向性カプラ４２６を全体的に画定し、指向性カプラ４２６は、光エネルギーを行導波路から直接格子素子４０８に結合し、格子素子４０８は、次いで、エネルギーを自由空間に放射する。
いくつかの実施形態では、ＭＥＭＳ制御垂直カプラ２１２は、同じ平面内にある行導波路と結合導波路とを含み、スイッチングは、上記で説明したように、可動シャント導波路を使用して実現される。
図４Ｇは、本開示による、別の代替のＭＥＭＳ制御垂直カプラの概略上面図を示す。ＭＥＭＳ制御垂直カプラ２１２Ｂは、ＭＥＭＳアクチュエータ３０４、行導波路２０４、カプラ導波路４２４、シャント導波路３０２、およびカプラ１１２を含む。ＭＥＭＳ制御垂直カプラ２１２Ｂは、図３Ａ～図３Ｃに関して上記で説明したＭＥＭＳ光スイッチ２０６に類似する。
ＭＥＭＳアクチュエータ３０４がその非作動状態にあるとき、シャント導波路は、行導波路２０４およびカプラ導波路４２４の十分上に保持される。その結果、２つの導波路は光学的に結合されず、カプラ１１２は励起されない。
ＭＥＭＳアクチュエータ３０４がその作動状態にあるとき、シャント導波路３０２は、行導波路２０４およびカプラ導波路４２４の各々と光学的に結合され、それにより、指向性カプラをシャント導波路の各端部において画定する。その結果、光エネルギーは、行導波路からシャント導波路に、次いで、シャント導波路から結合導波路に結合する。光エネルギーは、結合導波路によってカプラ１１２に搬送され、それにより、カプラ１１２が光エネルギーを自由空間に放射するようにカプラ１１２を励起する。
図５は、本開示による、代替プログラマブルカプラ配列を示す。カプラ配列５００は、カプラ配列１０４に類似するが、カプラ配列５００は、複数の光信号を複数のカプラ１１２に案内し、それにより、複数の出力ビームを同時に形成して誘導することができるビーム誘導システムを可能にするように構成される。
カプラ配列５００は、スイッチングネットワーク５０２、垂直カプラ１１２、バス導波路２０２、および行導波路２０４－１～２０４－Ｍを含む。
スイッチングネットワーク５０２は、行スイッチ５０４および列スイッチ５０６－１～５０６－Ｍを含む。
行スイッチ５０４は、入力信号１２０－１～１２０－Ｌのいずれかを行導波路２０４－１～２０４－Ｍのうちの異なる１つに案内するように作動するＬｘＭ個のスイッチである。
列スイッチ５０６－１～５０６－Ｍの各々は、Ｎ個のスイッチ５１０を含む１ｘＮ個の光スイッチである。列スイッチ５０６－１は、行スイッチ５０４から受信する光信号をカプラ１１２（１，１）～１１２（１，Ｎ）のうちの１つに案内し、列スイッチ５０６－２は、光信号１２０－２をカプラ１１２（２，１）～１１２（２，Ｎ）のうちの１つに案内し、以下同様である。
その結果、カプラ配列５００を含むビーム誘導システムは、複数の個別に誘導可能なコリメートされた出力ビーム１１０－１～１１０－Ｌを供給することができる。
上記で説明したように、必要な電気信号の数は、個別に制御可能なスイッチを有するビームシステムに対して問題となることがある。たとえば、システム５００では、必要な電気信号の数は、ＮｘＭ＋ＬｘＭである。しかしながら、いくつかの実施形態では、集積された電気アドレス指定回路が、電気パッケージング問題を軽減するために含まれる。そのような集積は、モノリシック集積、ハイブリッド集積、フリップチップボンディングなど、広く知られている技法のいずれかを介して達成され得る。
システム５００のアーキテクチャは、行ごとに１つだけのカプラ１１２が、行スイッチ５０４から光信号を受信することができるという意味でブロッキングであることに留意されたい。
図６は、本開示による、別の代替プログラマブルカプラ配列を示す。プログラマブルカプラ配列６００は、複数の個別に誘導可能な出力ビームを供給するように構成されたビーム誘導システムにおいて使用するのに好適な非ブロッキングカプラ配列である。プログラマブルカプラ配列６００は、プログラマブルカプラ配列５００に類似するが、スイッチングネットワーク６０２は、ＬｘＭ個の光スイッチである１つの行スイッチと、ＰｘＮ個の光スイッチであるＭ個の列スイッチとを含む。
カプラ配列６００は、スイッチングネットワーク６０２、垂直カプラ１１２、バス導波路２０２、および行導波路２０４－１～２０４－ＭｘＰを含む。
スイッチングネットワーク６０２は、行スイッチ６０４および列スイッチ６０６－１～６０６－Ｍを含む。
行スイッチ６０４は、入力信号１２０－１～１２０－Ｌのいずれかをバス導波路２０４－１～２０４－ＭｘＰのうちの異なる１つに案内するために作動するＬｘ（ＭｘＰ）個のスイッチである。
列スイッチ５０６－１～５０６－Ｍの各々は、Ｐ個の行導波路２０４の各々の上で受信された光信号をＮ個のカプラ１１２のいずれかに案内することができるＰｘＮ個の光スイッチである。列スイッチ６０６－１は、行導波路２０４（１，１）～２０４（１，Ｐ）の各々の上で受信する光信号をカプラ１１２（１，１）～１１２（１，Ｎ）のうちのいずれか１つに案内し、列スイッチ６０６－２は、行導波路２０４（２，１）～２０４（２，Ｐ）の各々の上で受信する光信号をカプラ１１２（２，１）～１１２（２，Ｎ）のうちの１つに案内し、以下同様である。
言い換えれば、カプラ１１２の各行は、Ｐ個の導波路およびＰｘＮ個のスイッチ６０６を通してＬｘ（ＭｘＰ）個のスイッチ６０４に接続される。その結果、Ｐ個の入力信号のいずれも、同じ行の中の格子カプラに同時にアクセスすることができる。
図７は、本開示による、代替ビーム誘導システムの概略側面図を示す。ビーム誘導システム７００は、ビーム誘導システム１００に類似するが、ビーム誘導システム７００は、従来の垂直格子カプラであるカプラを含むカプラ配列７０２を含む。
カプラ配列７０２は、スイッチングネットワーク１１０と、垂直カプラ７０４（１，１）～７０４（Ｍ，Ｎ）（カプラ７０４と総称する）とを含む。
カプラ７０４は、カプラ１１２に類似するが、図示の例では、カプラ７０４は、焦点面ＦＰ１に実質的に垂直である伝搬方向に沿って伝搬する比較的小発散角の（ｓｍａｌｌ－ｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ）光信号としてそれらの自由空間放射（すなわち、光信号７０６）を直接供給するように構成された、従来の垂直格子カプラである。その結果、光信号７０６は、レンズ１０２の開口部の比較的小さい部分とだけ相互作用する。
レンズ１０２は光信号７０６を受信し、それを出力ビーム７０８としてコリメートし、それが光軸Ａ３に沿って伝搬するように出力ビームを方向転換させる。図１Ａ～図１Ｄに関して上記で説明したように、光軸Ａ１に対する出力軸Ａ３の角度は、カプラ配列７０２の中のカプラ７０４（ｉ、ｊ）の位置に依存する。
本開示は、例示的実施形態の一例だけを教示しており、本発明の多くの変形形態は、この開示を読んだ後の当業者によって容易に考案され得、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定されるべきであることを理解されたい。
１００ ビーム誘導システム
１００Ａ ビーム誘導システム
１０２ レンズ
１０４ プログラマブル垂直カプラ配列
１０６ コントローラ
１０８ 出力ビーム
１０８（１，１） 出力ビーム
１０８（３，３） 出力ビーム
１１０ スイッチングネットワーク
１１２ カプラ
１１２（１，１） カプラ
１１２（１，２） カプラ
１１２（１，Ｎ） カプラ
１１２（２，１） カプラ
１１２（２，２） カプラ
１１２（２，Ｎ） カプラ
１１２（Ｍ，１） カプラ
１１２（Ｍ，２） カプラ
１１２（Ｍ，Ｎ） カプラ
１１２（ｉ，ｊ） カプラ
１１２Ａ カプラ
１１２Ａ（１，１） カプラ
１１２Ａ（２，２） カプラ
１１２Ａ（３，３） カプラ
１１４ 基板
１１６ 行スイッチ
１１８ 列スイッチ
１２０ 光信号
１２０’ 光信号
１２０－１ 光信号
１２０－Ｌ 光信号
１２０’（１，１） 光信号
１２０’（３，３） 光信号
１２０’（ｉ，ｊ） 光信号
２０２ バス導波路
２０２－１ バス導波路
２０２－Ｌ バス導波路
２０４ 行導波路
２０４－１ 行導波路
２０４－２ 行導波路
２０４－Ｍ 行導波路
２０４（１，１） 行導波路
２０４（１，Ｐ） 行導波路
２０４（Ｍ，１） 行導波路
２０４（Ｍ，Ｐ） 行導波路
２０６ ＭＥＭＳ光スイッチ
２０６－１ ＭＥＭＳ光スイッチ
２０６－２ ＭＥＭＳ光スイッチ
２０６－Ｍ ＭＥＭＳ光スイッチ
２０８ 列スイッチ配列
２０８－１ 列スイッチ配列
２０８－２ 列スイッチ配列
２０８－Ｎ 列スイッチ配列
２１０ ＭＥＭＳ光スイッチ
２１２ ＭＥＭＳ制御垂直カプラ
２１２Ａ ＭＥＭＳ制御垂直カプラ
２１２Ｂ ＭＥＭＳ制御垂直カプラ
２１４ スイッチ
３０２ シャント導波路
３０４ ＭＥＭＳアクチュエータ
３０６ 端部
３０６－１ 端部
３０６－２ 端部
３０８ 導波路部
３０８－１ 導波路部
３０８－２ 導波路部
３１０－１ 第１の指向性カプラ
３１０－２ 第２の指向性カプラ
４０２ カプラ導波路
４０４ ＭＥＭＳアクチュエータ
４０６－１ 可動端部
４０６－２ 固定端部
４０８ 垂直結合要素、格子素子
４１０ アンカー
４１２ 支柱
４１４ 電極
４１６ テザー
４１８ 突出部
４２０ 指向性カプラ
４２２ プラットフォーム
４２４ カプラ導波路
４２６ 指向性カプラ
５００ カプラ配列
５０２ スイッチングネットワーク
５０４ 行スイッチ
５０６ 列スイッチ
５０６－１ 列スイッチ
５０６－２ 列スイッチ
５０６－Ｍ 列スイッチ
６００ プログラマブルカプラ配列
６０４ 行スイッチ、スイッチングネットワーク
６０６ 列スイッチ
６０６－１ 列スイッチ
６０６－２ 列スイッチ
６０６－Ｍ 列スイッチ
７００ ビーム誘導システム
７０２ カプラ配列
７０４ 垂直カプラ
７０４（１，１） 垂直カプラ
７０４（Ｍ，Ｎ） 垂直カプラ
７０６ 光信号
７０８ 出力ビーム

Claims (23)

  1. 光軸（Ａ１）および焦点面（ＦＰ１）を有するレンズ（１０２）と、
    プログラマブル垂直カプラ配列（１０４）とを含むビーム誘導システム（１００）であって、前記プログラマブル垂直カプラ配列（１０４）が、
    基板（１１４）と、
    中心点（ＣＰ１）で特徴づけられる２次元配列でありかつ複数のカプラ行（ＣＲ）および複数のカプラ列（ＣＣ）を有するカプラ（１１２）の配列であって、カプラの前記配列の各カプラが、カプラ導波路（４０２）、および前記カプラ導波路から受信された光エネルギーを自由空間に放出するように構成された垂直結合要素（４０８）を含む、カプラ（１１２）の配列と、
    前記基板上に配置され、第１の光信号（１２０）を受信するための第１の入力ポート（ＩＰ１）を有するバス導波路（２０２）と、
    前記基板上に配置された複数の行導波路（２０４）と、
    前記第１の入力ポートからカプラの前記配列のうちの任意のカプラへの第１の光信号（１２０）の伝搬を制御するために作動するスイッチングネットワーク（１１０）とを含み、
    前記レンズおよびプログラマブル垂直カプラ配列が、前記レンズが、前記複数の垂直結合要素の各垂直結合要素によって放出された前記光エネルギーを受信し、前記光エネルギーを、前記プログラマブル垂直カプラ配列の中のその垂直結合要素の位置、および前記レンズと少なくとも１つの次元における前記プログラマブル垂直カプラ配列との第１の相対位置に基づく出力軸に案内するように配列される、ビーム誘導システム（１００）。
  2. 前記スイッチングネットワーク（５０４）が、
    複数の光信号（１２０－１～１２０－Ｌ）を前記バス導波路から受信するための複数の入力ポートを含む行スイッチ（５０４）であって、前記複数の光信号の各光信号を前記複数の行導波路のうちの任意の行導波路に案内するために作動する、行スイッチ（５０４）と、
    複数の列スイッチ（５０６）とを含み、前記複数の列スイッチの各列スイッチが、前記複数の行導波路のうちの異なる行導波路および前記複数のカプラ行のうちの異なるカプラ行と動作可能に結合され、前記複数の列スイッチの各列スイッチが、そのそれぞれの行導波路と前記複数のカプラ行のうちのそのそれぞれのカプラ行のうちの任意のカプラとの間の光結合を可能にするように構成される、請求項１に記載のシステム。
  3. 前記スイッチングネットワーク（６０４）が非ブロッキングであり、前記スイッチングネットワークが、
    複数の光信号（１２０－１～１２０－Ｌ）を前記バス導波路から受信するための複数の入力ポートを含む行スイッチ（６０４）であって、前記複数の光信号の各光信号を前記複数の行導波路のうちの任意の行導波路に案内するために作動する、行スイッチ（６０４）と、
    複数の列スイッチ（６０６）とを含み、前記複数の列スイッチの各列スイッチが、第２の複数の導波路（２０４（１，１）～２０４（１，Ｐ））によって前記行スイッチと動作可能に結合され、前記複数の列スイッチの各列スイッチが、そのそれぞれの第２の複数の行導波路の各々と前記複数のカプラ行のうちのそのそれぞれのカプラ行のうちの任意のカプラとの間の光結合を可能にするように構成され、
    前記第１の複数の行導波路が、各第２の複数の行導波路を含む、請求項１に記載のシステム。
  4. 前記レンズが、単一のレンズ、複合レンズ、テレセントリックレンズ、望遠鏡、および携帯電話レンズから成るグループから選択される、請求項１に記載のシステム。
  5. カプラの前記配列のうちの少なくとも１つのカプラが、前記レンズの収差を少なくとも部分的に補正するように構成される、請求項１に記載のシステム。
  6. 前記スイッチングネットワークが、
    前記第１の入力ポートおよび第１の複数のＭＥＭＳ光スイッチ（２０６）を含む行スイッチ（１１６）であって、前記第１の複数のＭＥＭＳ光スイッチの各ＭＥＭＳ光スイッチが、前記バス導波路と前記複数の行導波路のうちの１つの異なる行導波路とに動作可能に結合され、かつ（１）前記バス導波路がそのそれぞれの行導波路から光学的に切り離される第１の状態と、（２）前記バス導波路およびそのそれぞれの行導波路が光学的に結合される第２の状態とを有する、行スイッチ（１１６）と、
    複数の列スイッチ配列（２０８）を含む列スイッチ（１１８）とを含み、前記複数の列スイッチ配列の各列スイッチ配列が、第２の複数のＭＥＭＳ光スイッチ（２１０）を含み、前記第２の複数のＭＥＭＳ光スイッチの各ＭＥＭＳ光スイッチが、前記複数の行導波路のうちの１つの異なる行導波路およびそのそれぞれのカプラ列のうちの１つの異なるカプラと動作可能に結合され、かつ（１）そのそれぞれの行導波路がそのそれぞれのカプラから光学的に切り離される第１の状態と、（２）そのそれぞれの行導波路およびそのそれぞれのカプラが光学的に結合される第２の状態とを有する、請求項１に記載のシステム。
  7. 前記複数の列スイッチ配列のうちの少なくとも１つの列スイッチ配列の前記第２の複数のＭＥＭＳ光スイッチが、すべて同じ制御信号で制御されるように構成される、請求項６に記載のシステム。
  8. 前記第１の複数のＭＥＭＳ光スイッチの各ＭＥＭＳ光スイッチが、
    前記基板に対して可動であり、第１の端部（３６０－１）および第２の端部（３０６－２）を有するシャント導波路（３０２）と、
    （１）前記バス導波路がそのそれぞれの行導波路から光学的に切り離される第１の位置と、（２）前記バス導波路がそのそれぞれの行導波路と光学的に結合される第２の位置との間で前記シャント導波路を動かすように構成されたＭＥＭＳアクチュエータ（３０４）とを含み、
    前記ＭＥＭＳアクチュエータが前記第２の位置にあるとき、
    前記第１の端部および前記バス導波路の第１の導波路部（３０８－１）が、光エネルギーが前記バス導波路から前記シャント導波路に結合することを可能にする第１の指向性カプラ（３１０－１）を全体的に画定し、
    前記第２の端部およびそのそれぞれの行導波路の第２の導波路部（３０８－２）が、光エネルギーが前記シャント導波路からそのそれぞれの行導波路に結合することを可能にする第２の指向性カプラ（３１０－２）を全体的に画定する、請求項６に記載のシステム。
  9. 前記第２の複数のＭＥＭＳ光スイッチの各ＭＥＭＳ光スイッチが、
    そのそれぞれのカプラの前記カプラ導波路であって、可動端部（４０６－１）および前記垂直結合要素を含む固定端部（４０６－２）を有する、前記カプラ導波路と、
    （１）前記カプラ導波路がそのそれぞれの行導波路から光学的に切り離される第１の位置と、（２）前記カプラ導波路がそのそれぞれの行導波路と光学的に結合される第２の位置との間で、前記可動端部を動かすように構成されたＭＥＭＳアクチュエータ（４０４）とを含み、
    前記ＭＥＭＳアクチュエータが前記第２の位置にあるとき、前記可動端部およびそのそれぞれの行導波路が、光エネルギーがそのそれぞれの行導波路から前記カプラ導波路に結合することを可能にする指向性カプラ（４２０）を全体的に画定する、請求項６に記載のシステム。
  10. 前記第２の複数のＭＥＭＳ光スイッチの各ＭＥＭＳ光スイッチが、
    そのそれぞれのカプラの前記カプラ導波路（４２４）であって、前記垂直結合要素を含む、前記カプラ導波路（４２４）と、
    （１）前記カプラ導波路が前記それぞれの行導波路から光学的に切り離される第１の位置と、（２）前記カプラ導波路が前記それぞれの行導波路と光学的に結合される第２の位置との間で、前記カプラ導波路を動かすように構成されたＭＥＭＳアクチュエータ（４０４）とを含み、
    前記ＭＥＭＳアクチュエータが前記第２の位置にあるとき、前記カプラ導波路および前記それぞれの行導波路が、光エネルギーが前記それぞれの行導波路から前記垂直結合要素に結合することを可能にする指向性カプラ（４２６）を全体的に画定する、請求項６に記載のシステム。
  11. 前記第１の相対位置を制御するために作動するコントローラをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
  12. 前記複数の垂直結合要素のうちの少なくとも１つの垂直結合要素が、回折格子を含む、請求項１に記載のシステム。
  13. 前記複数の垂直結合要素のうちの少なくとも１つの垂直結合要素が、プリズム、ホログラム、２次元格子構造、回折レンズ、ブレーズド回折格子素子、屈折レンズ、角度エッチング導波路ファセットミラー、角度エッチング導波路、および角度付きミラーから成るグループから選択された光学素子を含む、請求項１に記載のシステム。
  14. 光ビームを誘導するための方法であって、
    （１）光軸（Ａ１）および焦点面（ＦＰ１）を有するレンズ（１０２）を提供するステップと、
    （２）プログラマブル垂直カプラ配列（１０４）を提供するステップであって、前記プログラマブル垂直カプラ配列が、
    基板（１１４）上に配置され、中心点（ＣＰ１）で特徴づけられる２次元配列として配列されかつ複数のカプラ行（ＣＲ）および複数のカプラ列（ＣＣ）を有するカプラ（１１２）の配列であって、カプラの前記配列の各カプラが、カプラ導波路（４０２）と、前記カプラ導波路から受信された光エネルギーを自由空間に放出するように構成された垂直結合要素（４０８）とを含む、カプラ（１１２）の配列と、
    前記基板上に配置され、第１の入力ポート（ＩＰ１）を有するバス導波路（２０２）と、
    前記基板上に配置された複数の行導波路（２０４）と、
    前記第１の入力ポートからカプラの前記配列のうちの任意のカプラへの第１の光信号（１２０）の伝搬を制御するために作動するスイッチングネットワーク（１１０）とを含む、ステップと、
    （３）前記レンズが、前記複数の垂直結合要素の各垂直結合要素によって放出された前記光エネルギーを受信し、前記光エネルギーを、前記プログラマブル垂直カプラ配列の中のその垂直結合要素の位置、および前記レンズと少なくとも１つの次元の前記プログラマブル垂直カプラ配列との第１の相対位置に基づく出力軸に案内するように、前記レンズおよびプログラマブル垂直カプラ配列を配列するステップと、
    （４）前記第１のカプラが、前記レンズへの第１の光信号に基づいて第２の光信号（１２０’）を供給し、前記第１のカプラが第１の位置（ｘ１、ｙ１）に配置されるように、前記第１の光信号を前記入力ポートからカプラの前記配列のうちの第１のカプラに案内するように前記スイッチングネットワークを制御するステップと、
    （５）前記第２の光信号をコリメートし、前記第１の位置に基づく出力軸（Ａ２）に沿って案内するステップとを含む、方法。
  15. スイッチングネットワークが、
    前記第１の光信号を前記複数の行導波路のうちの第１の行導波路に結合するために第１のＭＥＭＳ光スイッチを制御する動作と、
    前記第１の光信号を前記第１の行導波路から前記第１のカプラに結合するために第２のＭＥＭＳ光スイッチを制御する動作と
    を含む動作によって、前記第１のカプラを励起するために制御される、請求項１４に記載の方法。
  16. 前記第１のＭＥＭＳ光スイッチが、
    前記基板に対して可動であり、第１の端部（３６０－１）および第２の端部（３０６－２）を有するシャント導波路（３０２）と、
    （１）前記バス導波路が前記第１の行導波路から光学的に切り離される第１の位置と、（２）前記バス導波路が前記第１の行導波路と光学的に結合される第２の位置との間で、前記シャント導波路を動かすように構成されたＭＥＭＳアクチュエータ（３０４）と
    を含むように提供され、
    前記ＭＥＭＳアクチュエータが前記第２の位置にあるとき、
    前記第１の端部および前記バス導波路の第１の導波路部（３０８－１）が、光エネルギーが前記バス導波路から前記シャント導波路に結合することを可能にする第１の指向性カプラ（３１０－１）を全体的に画定し、
    前記第２の端部および前記第１の行導波路部の第２の導波路部（３０８－２）が、光エネルギーが前記シャント導波路から前記第１の行導波路に結合することを可能にする第２の指向性カプラ（３１０－２）を全体的に画定する、請求項１５に記載の方法。
  17. 前記第１のＭＥＭＳ光スイッチが、第１の列スイッチ配列の中に含まれる第１の複数のＭＥＭＳ光スイッチの中に含まれ、前記第１の複数のＭＥＭＳ光スイッチが、そのＭＥＭＳ光スイッチのすべてが同じ制御信号で制御されるように構成される、請求項１５に記載の方法。
  18. 前記第２のＭＥＭＳ光スイッチが、
    前記第１のカプラの前記カプラ導波路であって、可動端部（４０６－１）および格子素子を含む固定端部（４０６－２）を有する、前記カプラ導波路と、
    （１）前記カプラ導波路が前記第１の行導波路から光学的に切り離される第１の位置と、（２）前記カプラ導波路が前記第１の行導波路と光学的に結合される第２の位置との間で、前記可動端部を動かすように構成されたＭＥＭＳアクチュエータ（４０４）と
    を含むように提供され、
    前記ＭＥＭＳアクチュエータが前記第２の位置にあるとき、前記可動端部および前記第１の行導波路が、光エネルギーが前記第１の行導波路から前記カプラ導波路に結合することを可能にする指向性カプラ（４２０）を全体的に画定する、請求項１５に記載の方法。
  19. 前記スイッチングネットワーク（５０４）が、
    複数の光信号（１２０－１～１２０－Ｌ）を前記バス導波路から受信するための複数の入力ポートを含む行スイッチ（５０４）であって、前記複数の光信号の各光信号を前記複数の行導波路のうちの任意の行導波路に案内するために作動する、行スイッチ（５０４）と、
    複数の列スイッチ（５０６）と
    を含むように提供され、前記複数の列スイッチの各列スイッチが、前記複数の行導波路のうちの１つの異なる行導波路および前記複数のカプラ行のうちの１つの異なるカプラ行と動作可能に結合され、前記複数の列スイッチの各列スイッチが、そのそれぞれの行導波路と前記複数のカプラ行のうちのそのそれぞれのカプラ行のうちのいずれかのカプラとの間の光結合を可能にするように構成される、請求項１４に記載の方法。
  20. 前記レンズが、単一のレンズ、複合レンズ、テレセントリックレンズ、望遠鏡、および携帯電話レンズから成るグループから選択される、請求項１４に記載の方法。
  21. （６）カプラの前記配列の第１のカプラにおいて前記レンズの収差を補正するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
  22. 前記スイッチングネットワーク（６０４）が、非ブロッキングであり、
    複数の光信号（１２０－１～１２０－Ｌ）を前記バス導波路から受信するための複数の入力ポートを含む行スイッチ（６０４）であって、前記複数の光信号の各光信号を前記複数の行導波路のうちの任意の行導波路に案内するために作動する、行スイッチ（６０４）と、
    複数の列スイッチ（６０６）と
    を含むように提供され、前記複数の列スイッチの各列スイッチが、第２の複数の導波路（２０４（１，１）～２０４（１，Ｐ））によって前記行スイッチと動作可能に結合され、前記複数の列スイッチの各列スイッチが、そのそれぞれの第２の複数の行導波路の各々と前記複数のカプラ行のうちのそのそれぞれのカプラ行のうちの任意のカプラとの間の光結合を可能にするように構成され、
    前記第１の複数の行導波路が、各第２の複数の行導波路を含む、請求項１４に記載の方法。
  23. （６）前記第１の相対位置を制御するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
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