JP2022515816A - 自由空間光通信、コヒーレントｌｉｄａｒ、及びそれ以外の用途のための平面光ヘッド - Google Patents

Abstract

マルチアパーチャ光学システムが、光集積回路と、光集積回路に結合されたスペーサ基板と、複数の光学セルと、ビームコンバイナと、ビームコンバイナに結合された光検出器とを備える。光集積回路、スペーサ基板、複数の光学セル、ビームコンバイナ、及び光検出器は、単一のモノリシックに形成された光ヘッドとして統合される。各光学セルは、スペーサ基板上に形成されるとともに基板を通じて光をフォールディング素子上に合焦させるように構成された合焦光学素子を備える。フォールディング素子は、光集積回路内に統合され、光学セル上に入射する光を導波路内に結合する。導波路は、位相シフタに結合され、位相シフタを通じてフォールディング素子によって反射された光を搬送する。位相シフタは、合焦光学素子に結合され、合焦光学素子によって受信された光信号の位相をシフトする。【選択図】図１

Description

本開示は、包括的には、コヒーレント自由空間光通信（ＦＳＯＣ：free space optical communications）及びリモートセンシングコヒーレントＬＩＤＡＲに関し、より詳細には、限定ではなく例として、高速ＦＳＯＣ及びコヒーレントＬＩＤＡＲのためのモノリシックに又はほぼモノリシックに形成されたマルチアパーチャ光学システム（「光ヘッド」）に関する。

［関連出願の相互参照］
本出願は、米国特許商標庁において、２０１８年８月８日に出願された米国仮特許出願第６２／７１６，２８８号の優先権を米国特許法第１１９条の下に主張する。

［連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載］
該当なし。

主題技術の主な使用は、自由空間光通信（ＦＳＯＣ）であり、その説明は、本出願に主として関係している。しかしながら、この技術は、コヒーレントＬＩＤＡＲ、及び、光学照明器又は光学指示器等の他の光学システムタイプにも適用することができる。

ＦＳＯＣシステムは、かなり大きな範囲（例えば数キロメートル）にわたって高速無線通信を可能にすることができる。地上の用途では、そのようなシステムは、非常に高い（例えば、１０ギガビット毎秒（Ｇｂｐｓ）よりも高い）データレートを達成することができる。単一のシステムにおいていくつか（Ｎ個）の光周波数を多重化することによって、システムのデータレートをＮ倍にすることが可能になる。

光ファイバ伝送線上での通信と異なり、ＦＳＯＣは大気乱流に対処しなければならない。これは、光を送信及び受信するのに使用される光学アパーチャにわたって光位相変動を生み出すことによって性能を大きく劣化させる可能性がある。従来のＦＳＯＣシステムは、単一の光学アパーチャを有する（「モノスタティック」構成）か、又は、光の送信の際に通る送信アパーチャと光の受信の際に通る受信アパーチャとを別々に有する場合がある（「バイスタティック」構成）。乱流の影響がかなり大きく、位相変動の横スケール（通常、いわゆるフリードパラメータｒ_０によって測定される）がアパーチャ直径Ｄに匹敵するか又はアパーチャ直径Ｄよりも小さくなると、システム性能の劣化が始まり、その結果、信号変動（フェード）及び／又はデータドロップアウトが生じる。従来のＦＳＯＣシステムは、通常、粗いビームポインティングのためと、例えば、システムが取り付けられるプラットフォームのジッタに起因したポインティング誤差を緩和するためとに機械ビームステアリングアセンブリも必要とする。これらの機械アセンブリは、重量をかなり増加させ、かさばることが多く、多くの場合に多量の電力を消費する。

この背景技術の項において提供される説明は、単にこの説明が背景技術の項において述べられている又は背景技術の項に関連しているという理由で、従来技術とみなされるべきではない。背景技術の項は、本主題技術の１つ以上の態様を説明する情報を含む場合がある。

１つ以上の実施態様では、光集積回路と、光集積回路に結合されたスペーサ基板と、複数の光学セルと、ビームコンバイナと、ビームコンバイナに結合された光検出器とを備えるマルチアパーチャ光学システムが提供される。光集積回路、スペーサ基板、複数の光学セル、ビームコンバイナ、及び光検出器は、単一のモノリシックに形成された光ヘッドとして統合される。各光学セルは、スペーサ基板上に形成されるとともに光集積回路を通じてフォールディング（folding：折り曲げ）素子上に光を合焦させるように構成された合焦光学素子を備える。フォールディング素子は、光集積回路内に統合され、光学セル上に入射する光を導波路内に結合する。導波路は、光集積回路内に統合され、位相シフタに結合されて、位相シフタを通じてフォールディング素子によって反射された光を搬送する。位相シフタは、合焦光学素子に結合され、合焦光学素子によって受信された光信号の位相をシフトする。ビームコンバイナは、位相シフタに結合され、位相シフタから出力された光を組み合わせる。光検出器は、ビームコンバイナから出力される組み合わされた光を受信し、対応する信号を出力する。

１つ以上の実施態様では、複数の光学セルを光集積回路上に製作することを含むマルチアパーチャ光学システムを製造する方法が提供される。各光学セルは、フォールディング素子と、合焦光学素子と、位相シフタと、位相シフタに結合された導波路とを備える。上記製作することは、各光学セルについて、フォールディング素子を光集積回路内に統合することと、位相シフタを光集積回路内に埋設することと、導波路を光集積回路上に製作することと、導波路を位相シフタに結合することと、合焦光学素子を、フォールディング素子の上方において光集積回路に結合されたスペーサ基板上に製作することとを含む。この方法は、ビームコンバイナ及び光検出器を光集積回路上に製作することと、光検出器から出力された信号に基づいて各位相シフタの位相シフトを制御するコントローラを光検出器に結合することとを更に含む。光検出器はビームコンバイナに結合され、ビームコンバイナは各位相シフタに結合される。光集積回路、スペーサ基板、複数の光学セル、ビームコンバイナ、光検出器、及びコントローラは、単一の光集積回路としてモノリシックに形成される。

上記の全体的な説明及び以下の詳細な説明の双方は例示的かつ説明的なものであり、請求項に記載の本主題技術の更なる説明を提供することを意図したものであると理解すべきである。また、本主題技術の範囲から逸脱することなく、他の態様を利用することができ、変更を行うことができるということも理解すべきである。

以下の図は、本開示の或る特定の態様を示すために含まれており、限定的な実施形態とみなされるべきでない。開示される主題は、本開示の範囲から逸脱することなく、形態及び機能において多数の変更形態、変形形態、組み合わせ形態、及び均等形態が可能である。

本開示のいくつかの実施形態による自由空間光通信（ＦＳＯＣ）のためのマルチアパーチャ光学システムを示すブロック図である。 本開示のいくつかの実施形態による、図１のマルチアパーチャ光学システムを示す斜視図である。 本開示のいくつかの実施形態による、図２のマルチアパーチャ光学システムの３つの光学セルの構成を示す斜視図である。 本開示のいくつかの実施形態による、図２のマルチアパーチャ光学システムの光学セルのうちの１つに入射する光を示す斜視図である。 本開示のいくつかの実施形態による、図４の光学セルの例示的な部分断面図である。 本開示のいくつかの実施形態による、図４の光学セルの例示的な部分断面図である。 本開示のいくつかの実施形態による、図４の光学セルの例示的な部分断面図である。 印刷ＧＲＩＮ（printed GRIN）技術を使用してモード変換を組み込んだ合焦素子の断面図である。 本開示のいくつかの実施形態による、図２のマルチアパーチャ光学システムの光学セルのうちの１つに入射する光を示す斜視図である。

以下に示す詳細な説明は、様々な実施態様の説明として意図されており、主題技術を実施することができる唯一の実施態様を表すようには意図されていない。当業者であれば理解するように、説明する実施態様は、全て本開示の範囲から逸脱することなく、様々な異なる方法で変更することができる。したがって、図面及び説明は、限定するものではなく本質的に例示的なものとしてみなされるべきである。

上述した従来のＦＳＯＣシステムに関連した不備に対処するために、米国特許出願第１５／２１７８３３号に記載されているような代替のＦＳＯＣシステムが提案されている。米国特許出願第１５／２１７８３３号に記載されている代替のＦＳＯＣシステムは、従来のＦＳＯＣシステムの単一のアパーチャを複数のより小さなアパーチャ（「サブアパーチャ」）に置き換える。サブアパーチャを予想される最悪の場合のフリードパラメータよりも小さくすることによって、各サブアパーチャは、当該サブアパーチャにわたって線形位相が見られる。各サブアパーチャ「チャネル」に光位相シフタを組み込むとともに、位相変動を測定する手段を組み込むことによって、サブアパーチャのセットにわたる位相変動性をカウントし、乱流の影響を低減又は除去することが可能である。

米国特許出願第１５／２１７８３３号に記載されている代替のＦＳＯＣシステムは、光を送信又は受信する小型レンズのアレイを備える。各小型レンズは、シングルモード光ファイバに光学的に結合される。光ファイバに付随した欠点は、光ファイバが、機械的擾乱及び熱的擾乱に起因した経路長変化を含む環境の影響を受けやすいということである。熱環境及び機械環境が注意深く制御されない限り、これらの経路長変化は、チャネルにわたって位相を制御する問題を増大させるおそれがある。さらに、自由空間からの光をシングルモードファイバ内に結合するには、高い位置合わせ精度が必要となり、これによって、大きなアレイの製作コストが高くなる可能性がある。

本開示の様々な態様は、多数のディスクリート光学構成要素及び複雑な構築技法を必要としない実質的にモノリシックな光学システム（ヘッド）を構築することによって、米国特許出願第１５／２１７８３３号に記載されている代替のＦＳＯＣシステム及び従来の単一アパーチャアーキテクチャの不備に対処することに向けられている。本明細書に記載する本開示の様々な実施形態は、あり得るこれまでのアーキテクチャよりも小さく軽量なシステムの構築を可能にする。システムは、±４５度以上等の大きな角度範囲にわたる連続的なビームステアリング、又はポインティングを可能にする非機械的ビームステアリングを更に組み込むことができる。

本明細書に記載する本開示の様々な態様は、光フェーズドアレイアセンブリ（ＯＰＡＡ：optical phased array assembly）及びビームステアリングアセンブリ（ＢＳＡ：beam steering assembly）を対象とする。いくつかの実施形態では、ＯＰＡＡは、光集積回路（ＰＩＣ：photonic integrated circuit）と、スペーサ基板と、光学セルのアレイとを備えることができるマルチアパーチャ光学システム（ヘッド）である。ＰＩＣは、光を搬送する導波路と、光ビームフォールディング素子と、光位相シフタと、ビームコンバイナとを組み込み、ビームスプリッタを組み込むこともできる。ＰＩＣは、ビームコンバイナに結合された光検出器も組み込むことができる。ただし、本明細書に記載する様々な実施形態は、前述の構成に限定されるものではない。或いは、他の実施形態では、光検出器は、ＰＩＣの外部に配置することができ、この場合に、光は、例えば、光ファイバを使用してＰＩＣに結合することができる。同様に、ＰＩＣは、この構造物を通って自由空間内に光を送信するレーザを収容することもできるし、このレーザは、ＰＩＣの外部に配置して、光ファイバを使用して光をＰＩＣ内に結合することもできる。ＰＩＣは、光増幅器、例えば半導体光増幅器（ＳＯＡ：semiconductor optical amplifier）も組み込むことができる。コントローラも光検出器に電気的に接続し、検出される光検出器信号に基づいて光位相シフタを制御するのに使用することができる。以下で更に詳細に記載するように、基板、ＰＩＣ、及びレンズ素子は、単一のモノリシックアセンブリとして構築することができる。

いくつかの実施形態によれば、上述したようなＯＰＡＡは、ＯＰＡＡだけを用いて可能である範囲よりもはるかに大きな範囲にわたってビームステアリングを可能にする１つ以上のビームステアリングデバイスに光学的に結合することができる。このビームステアリングデバイスは、機械的なミラーアセンブリとすることもできるし、或いは非機械的なビームステアラ（steerer）とすることもできる。一例として、偏光格子液晶（ＰＧＬＣ：polarization grating liquid crystal）ビームステアラを、離散ステップでステアリングするのに使用することができる。例えば、そのようなデバイスは、１度のステップサイズで±４５度以上にわたってステアリングすることができる。ＰＧＬＣステップ角がＯＰＡＡステアリング角よりも大きい場合には、ＯＰＡＡとＰＧＬＣとの間に第３のステアリングメカニズムを挿入することができる。これによって、小さな角度から大きな角度まで連続的なステアリングが可能になる。そのような第３のステアリングメカニズムは、例えば、機械的なミラーとすることもできるし、液晶ＯＰＡ又は液晶空間光変調器（ＳＬＭ：liquid crystal spatial light modulator）とすることもできる。

モノリシックに形成されたマルチアパーチャ光学システムは、上述したように、システムの性能を大きく劣化させる可能性がある大気乱流の悪影響の最小化を可能にするように設計される。加えて、システムの光フェーズドアレイの性質から、微小角度ビームステアリングが可能になる。特に、本明細書に記載する様々な実施形態の平面ＦＳＯＣ光ヘッドは、モノリシックに形成されたＯＰＡＡを、従来のＦＳＯＣ光ヘッドと比較して機械構造の複雑度を低減する固体広角度ビームステアリングと組み合わせる。

本明細書に記載する様々な実施形態のマルチアパーチャ光学システムは、ＦＳＯＣポートフォリオ全体にわたって多くの改良を可能にする。例えば、米国特許出願第１５／２１７８３３号に記載されている代替のＦＳＯＣシステムは、一般に、ディスクリートレンズを使用して光を対応するシングルモードファイバ上に合焦させる複数のサブアパーチャを用いて構成され、それによって、光ファイバのそれぞれを個々に正確に対応する位相シフタと位置合わせして、これらの位相シフタに結合する必要がある。これらの実施形態では、光ファイバは、サブアパーチャのそれぞれを位相シフタに結合し、サブアパーチャからの光を位相シフタに誘導する導波路として使用される。この構成は、光ファイバが従来から熱的擾乱及び機械的擾乱の影響を極めて受けやすいことから不利である。このタイプの光ヘッドは、一般に、構築するのが複雑であり、擾乱の影響を最小にするためにより多くの制御を必要とする。

対照的に、本明細書に記載するように、その構成要素が実質的にモノリシックの形態で製作されたマルチアパーチャ光学システムは、位相補正を行うために合焦光学素子を位相シフタに結合する光ファイバを組み込む必要性をなくす。さらに、記載されるシステムのモノリシックの性質から、単一の基板においてより高い複雑性が可能になり、その結果、従来のＦＳＯＣシステムよりも高いジッタ耐性を有するとともに幾何学的に等角の固体システムが得られる。

加えて、本明細書に記載する様々な実施形態のマルチアパーチャ光学システムは、従来のＦＳＯＣシステムと異なり全体が固体であるので、位相補正を行うのに機械アクチュエータは必要でない。したがって、開示されるマルチアパーチャ光学システムは、従来のＦＳＯＣシステムと比較して極めて高い帯域幅で動作することができ、大幅にロバストなものとすることができる。さらに、本明細書に記載する様々な実施形態のマルチアパーチャ光学システムは、大幅に小さく軽量であり、大幅なサイズ、重量、及び電力（ＳＷａＰ：size, weight, and power）の節減特徴、並びに従来の構成を上回るコスト節減特徴を提供する。例えば、固定された光集光エリアについて、開示されるマルチアパーチャ光学システムが有する深さは、従来のＦＳＯＣシステムの深さのごく僅かであり、それによって、例えば１桁以上の大幅な体積及び重量の節減がもたらされる。その上、開示されるビームコンバイナ全体をＰＩＣ内に統合することができる。

さらに、システムの個々の構成要素の高精度の位置合わせ（例えば、フェーズドアレイの位置合わせ）を実行する必要がある米国特許出願第１５／２１７８３３号に記載されている代替のＦＳＯＣシステムとは逆に、本明細書に記載する様々な実施形態のマルチアパーチャ光学システムは、個々の構成要素の高精度の位置合わせを行う必要性をなくすことができるリソグラフィによって画定されたチップを使用して製作することができる。したがって、本明細書に記載する様々な実施形態のマルチアパーチャ光学システムの組み立て／製造プロセスは、かなり容易であり、長大な専門家の労働時間を費やすことなく確実且つ反復的に行うことができる。加えて、組み立て中に発生し得る複雑さは、リソグラフィによって製造される段階に留められるので、労働コスト、信頼性に関する課題、及び従来の又は代替のＦＳＯＣ組み立て／製造プロセスに関連した他の同様の問題は、大幅に低減される。更に有利には、高容量マルチアパーチャ光学システムを、既存のチップファウンドリを使用して低コストで製作することができるので、コストを削減することができる。

図１は、本開示のいくつかの実施形態による、自由空間光通信（ＦＳＯＣ）のためのマルチアパーチャ光学システムを示すブロック図である。図示するように、マルチアパーチャ光学システム１００は、ＰＩＣ１０と、スペーサ基板３２（図２に図示）と、ＰＩＣ１０とともにモノリシックに形成された複数の光学セル１２とを備える。いくつかの実施形態によれば、複数のマルチアパーチャ光学システム１００が、オープンスペースを通じて互いに光学的に通信することができる。この趣旨で、各マルチアパーチャ光学システム１００は、ＦＳＯモデム（図示せず）に結合することができ、ＦＳＯモデムは、例えばネットワークスイッチ（図示せず）を介してネットワーク（図示せず）と更に通信する。ネットワークの例には、インターネット、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ：local area network）、イーサネットネットワーク、又は他のネットワークが含まれる。いくつかの実施形態では、各マルチアパーチャ光学システム１００は、ＦＳＯモデムから光信号を受信し、電気信号をＦＳＯモデムに送信する。ＦＳＯモデムとスイッチとの間及びスイッチとネットワークとの間の通信は、電気信号を通じて行われる。このように、各マルチアパーチャ光学システム１００は、受信信号の位相を補正し、大気擾乱を補償することができる。

いくつかの実施形態では、各セルは、スペーサ基板３２（図２及び図３に図示）上に形成された合焦光学素子１６と、位相シフタ１８と、導波路２０とを備え、これらの全ては、ＰＩＣ１０上にモノリシックに統合される。合焦光学素子１６は、ＰＩＣ１０を通じて光を受信し、この光をフォールディング素子１４上に合焦させるように構成することができる。位相シフタ１８は、ＰＩＣに埋設することができ、導波路２０は、位相シフタ１８を通じて光を搬送するために位相シフタ１８に結合することができる。図示するように、マルチアパーチャ光学システムは、位相シフタ１８に結合されるとともに位相シフタ１８から出力される光を組み合わせるように構成されたビームコンバイナ２２を更に備えることができる。光検出器２６は、ビームコンバイナ２２に結合されてビームコンバイナ２２から出力される組み合わされた光を受信し、対応する信号を出力することができる。いくつかの実施形態では、マルチアパーチャ光学システム１００は、任意選択で、ビームコンバイナ２２から出力される信号を第１の部分及び第２の部分に分割するビームスプリッタを備えることができる。更に図示するように、マルチアパーチャ光学システム１００は、光検出器２６と位相シフタ１８のそれぞれとに結合又は別の方法で接続されて各位相シフタ１８の位相シフトを光検出器２６から出力される信号に基づいて制御するコントローラ３０を更に備えることができる。いくつかの実施形態では、コントローラは、汎用マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ：digital signal processor）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：application specific integrated circuit）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ：field programmable gate array）、プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ：programmable logic device）、状態機械、ゲートロジック、ディスクリートハードウェア構成要素、又は情報の計算若しくは他の操作を実行することができる他の任意の適したデバイスとすることができる。

以下で更に詳細に記載するように、ＰＩＣ１０、スペーサ基板３２、複数の光学セル１２、ビームコンバイナ２２、及び光検出器２６は、単一のモノリシックに形成された光ヘッドとして統合することができる。特に、いくつかの実施形態では、フォールディング素子１４、位相シフタ１８、導波路２０、任意選択の増幅器２８、ビームコンバイナ２２、及び光検出器２６は、単一のモノリシックユニットとしてＰＩＣ上にリソグラフィによって形成することができる。レーザ等の光源（簡単にするために図面は図示せず）を結合するレーザ入力ポート３６を更に設けることもできるし、オンチップレーザを使用することもできる。

本開示の様々な実施形態によれば、マルチアパーチャ光学システム１００は、受信モード又は送信モードのいずれかで動作させることができる。受信モードでは、光は各光学セル１２によって捕捉され、合焦光学素子１６によってフォールディング素子１４上に合焦される。フォールディング素子１４は、光の方向を実質的に９０度変更し、光をＰＩＣ１０内に折り曲げる。光は、その後、導波路２０によって位相シフタ１８を通り、増幅器２８が存在する場合には増幅器２８を通り、その後、ビームコンバイナ２２に搬送することができる。いくつかの実施形態では、位相シフタ１８及び増幅器２８の相対位置は逆にすることができる。送信モードでは、光は、反対方向にビームコンバイナ２２から合焦光学素子１６に伝播し、そして自由空間内に伝播することができる。ビームコンバイナ２２は、全ての光学セル１２からの光をコヒーレントに組み合わせ、組み合わされた光を光検出器２６に結合することができ、光検出器２６は、その後、対応する信号を出力することができる。動作中、コントローラ３０は、光検出器２６及び位相シフタ１８に結合又は接続され、光検出器２６から出力される信号に基づいて各位相シフタ１８の位相を制御することができる。特に、いくつかの実施形態では、コントローラは、光検出器によって出力される信号を最大にするアルゴリズムの形態の様々な命令を実行することもできるし、各光学セル１２において特定の位相シフトを課すために使用することもできる。例えば、いくつかの実施形態では、コントローラは、光学セル１２のアレイにわたって線形位相シフトを課し、大きさが各サブアパーチャにおける光ビームの横断寸法に比例することができる角度範囲Ａにわたって光フェーズドアレイ（ＯＰＡ：optical phased array）ビームステアリングを実施するために使用することができる。いくつかの実施形態では、より小さなビームがより大きなＯＰＡ角度範囲を提供し、より大きなビームがより小さなＯＰＡ角度範囲を提供する。

図２は、本開示のいくつかの実施形態による、図１のマルチアパーチャ光学システムを示す斜視図である。図１及び図２に示すように、マルチアパーチャ光学システム１００は、複数の光学セル１２の前方、又は向きに応じて真上に位置決めされる粗いビームステアリング素子３４を更に備えることができる。粗いビームステアリング素子３４は、非機械的にステアリングされるビームステアリングデバイス又は機械的にステアリングされるビームステアリングデバイスとすることができる。いくつかの実施形態では、非機械的にステアリングされるビームステアリングデバイスは、複数の液晶偏光格子（ＬＣＰＧ：liquid crystal polarization grating）を備える液晶ビームステアリングデバイスとすることができる。ＬＣＰＧは、例えば、入力光の偏光に応じて、２つの偏向角のうちの一方に光をステアリングする薄い複屈折膜とすることができる。有利には、複数のＬＣＰＧは、互いに積重されて広角非機械的ビーム制御システムを作製することができ、サイズ、重量、及び電力（ＳＷａＰ）、ビームアジリティ、並びにポインティングスタビリティにおいて、機械的にステアリングされるシステムを上回る大幅な改善を有する。動作中、ＬＣＰＧは、位相変調又は振幅変調（従来の回折格子を用いて行われる）の代わりに偏光変調を使用し、その結果、例えば９９．８％を越える増加した１次効率が得られる。ビームは、透過０次数（未偏向）に対して正の次数又は負の次数に回折され得る。複数のＬＣＰＧの各ＬＣＰＧは切り替えることができるので、光が複数のＬＣＰＧを通って伝播するにつれて、偏向角を加えることもできるし、減じることもできる。比較的少数のＬＣＰＧが、大きな一組の偏向角を提供することができ、少数のＬＣＰＧを用いて２次元における広範囲の角度を達成することが可能になる。高い効率及びコンパクトなサイズによって、有利には、サイズ及び重量の節減を有するマルチアパーチャ光学システム１００が得られる。いくつかの実施形態では、機械的にステアリングされるビームステアリングデバイスは、機械的にステアリングされるミラー、例えば、機械ミラーベースのジンバル若しくはガルバノメータメカニズムによってステアリングされるミラー、又は他の任意の形態の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：Microelectromechanical system）とすることができる。

図３は、本開示のいくつかの実施形態による、図２のマルチアパーチャ光学システム１００の３つの光学セル１２の構成を示す斜視図である。図３に示すように、図１の参照を続けると、複数の光学セル１２、ビームコンバイナ２２、及び光検出器２６は、単一のモノリシックに形成された光ヘッドとして統合することができる。この趣旨で、光学セル１２のそれぞれのフォールディング素子１４、位相シフタ１８、及び導波路２０は、ＰＩＣ１０上にリソグラフィによって製作するか又は成長させることができ、ビームコンバイナ２２、及び光検出器２６に結合することができる。これらのそれぞれは、ＰＩＣ１０上に直接製作することができる。各フォールディング素子１４は、ＰＩＣ１０内に統合することができ、それぞれの導波路２０と光学的に結合することができる。各光導波路２０は、ＰＩＣ１０上に製作することができ、ＰＩＣ１０内に埋設することができる対応する位相シフタ１８に結合することができる。各合焦光学素子１６は、対応するフォールディング素子１４の上方でＰＩＣに結合されるスペーサ基板３２上に製作するか又は成長させることができる。例えば、合焦光学素子１６は、スペーサ基板３２（図５Ａ～図５Ｃに図示）上にフォールディング素子１４上の層としてリソグラフィによって形成することができる。

いくつかの実施形態では、モノリシックに形成されたマルチアパーチャ光学システム１００は、約５０ｃｍの深さを有する場合がある従来のＦＳＯＣシステムのアパーチャと比較してコンパクトなアセンブリであり、例えば１ｃｍ未満の深さＤを有する。

動作中、各位相シフタ１８は、対応する合焦光学素子１６によって受信される光信号に位相シフトを課す。いくつかの実施形態によれば、各位相シフタ１８は、ニオブ酸リチウム結晶シフタ等の電気光学（ＥＯ：electro-optical）位相シフタとすることができる。他の実施形態では、各位相シフタ１８は、熱位相シフタ、又はシリコン（Ｓｉ）、若しくはリン化インジウム（ＩｎＰ）を含む他の材料を使用して製作される位相シフタ等の別のタイプの位相シフタとすることができる。各位相シフタ１８は、制御信号（例えば、位相コマンド信号）をコントローラ３０から受信し、それぞれの合焦素子１６から受信されたそれぞれの入力光信号の位相を制御信号に基づいてシフトすることができる。

いくつかの実施形態では、位相シフタ１８のそれぞれからの位相シフトされた光信号は、ビームコンバイナ２２によってコヒーレントに組み合わされ、光検出器２６に出力される。各位相シフタ１８に入力されるそれぞれの光信号の位相の処理の結果、それぞれの入力光信号の位相が補正され、光信号に対する大気乱流の悪影響が除去される。大気乱流は、例えば、オープンスペース内を進行している間、光信号の位相を乱す。各位相シフタ１８に入力されるそれぞれの光信号の処理された位相は、小さな角度にわたってビームをステアリングするのに使用することもできる。

いくつかの実施形態によれば、コントローラ３０は、光検出器２６からの出力信号を受信し、それぞれの合焦光学素子１６から受信されるそれぞれの各入力光信号の位相を制御信号に基づいてシフトするために位相シフタ１８によって使用される制御信号を生成する。いくつかの実施形態では、位相シフタへの制御信号は、全てのサブアパーチャからの寄与が相互にコヒーレントであることを示す光検出器信号を最大にするためにディザリングすることができる。例えば、フルアパーチャにわたって線形位相勾配を課すために、追加の位相シフトを個々のチャネルに適用することができる。

図４は、本開示のいくつかの実施形態による、図２のマルチアパーチャ光学システムの光学セルのうちの１つに入射する光を示す斜視図である。上記で簡潔に記載したように、各光学セル１２は、合焦光学素子１６と、フォールディング素子１４と、位相シフタ１８と、導波路２０とを備えることができ、これらの全てはＰＩＣ１０上にモノリシックに統合される。図示するように、各合焦光学素子１６は、光１５の入射ビームを受信し、光１５を、ＰＩＣ１０を通じてフォールディング素子１４上に合焦させるように構成することができる。したがって、合焦光学素子１６のそれぞれは、マイクロレンズ、リソグラフィによって画定されたレンズ、屈折率分布型レンズ、ホログラフィによって形成されたレンズ、屈折レンズ、又は回折光学部品類とすることができる。ただし、いくつかの実施形態では、合焦光学素子１６は、メタマテリアルレンズとすることもでき、それによって、従来の小型レンズに対する依存度が低減されるという利点がもたらされる。メタマテリアルレンズは、基板表面上に直接印刷されるので、有利には、従来の小型レンズと比較してより薄くよりコンパクトな構成を提供する。更に有利には、メタマテリアルレンズは、リソグラフィプロセスを使用して基板上に印刷することができ、それによって、従来の小型レンズとともに一般に使用される労働集約的な位置合わせの必要がなくなる。

各合焦光学素子１６は、対応する導波路２０に（例えば、スペーサ基板３２（図５Ａ～図５Ｃに図示）を介して）位置合わせされ、導波路に対して固定された相対位置を維持する。この趣旨で、製造方法は、各合焦光学素子１６をスペーサ基板３２に融合することと、各合焦光学素子をＰＩＣ１０上の対応する導波路２０と光学的に結合してモノリシック構造を形成することとを含むことができる。前述したように、各合焦光学素子１６は、対応するフォールディング素子１４の上方においてスペーサ基板３２上に製作することもできるし、成長させることもできる。例えば、合焦光学素子１６は、フォールディング素子１４の上方で且つＰＩＣ１０の上部において層としてスペーサ基板３２上にリソグラフィによって形成することができる。いくつかの実施形態では、合焦光学素子１６は、共通の平面内に位置決めすることができる。各合焦光学素子１６は、共通の焦点距離を用いて形成することができ、合焦光学素子１６のそれぞれから基板までの距離は等しくすることができる。

本明細書に記載する様々な実施形態の合焦光学素子１６は、有利には、従来のＦＳＯＣシステムの合焦素子又はアパーチャと比較して、サイズをよりコンパクトにすることができる。特に、合焦素子１６は、通常は５０ｍｍ以上の直径を有する従来技術のシステムの合焦素子と比較して、約１０μｍ～約１０ｍｍの範囲の直径を有することができる。有利には、本明細書に記載する合焦素子のコンパクトなサイズによって、より多くの数の合焦素子１６をスペーサ基板上にモノリシックに形成することが可能になる。合焦素子の数がより多くになることは、これに対応して、光がマルチアパーチャ光学システムを通って伝播することができるチャネルの数の増加をもたらす。例えば、本明細書に記載する様々な実施形態のマルチアパーチャ光学システム１００は、より大きな合焦素子／アパーチャを有する従来技術のシステムと比較して、合焦素子のコンパクトなサイズに基づいて２５６個以上の合焦素子１６を組み込むことができる。加えて、合焦素子の増加した数に起因して、本明細書に記載する様々な実施形態のマルチアパーチャ光学システム１００は、従来のＦＳＯＣシステムと比較して、より厳しい乱流を補償することを可能にすることができ、光信号に関するフェードの耐性をより高くすることができる。

いくつかの実施形態では、各フォールディング素子１４は、ＰＩＣ１０において画定された境界面（例えば、ミラー又は格子カプラ）であり、ＰＩＣ１０内の光１５の入射ビームを受信し反射するように構成される。例えば、各フォールディング素子１４は、対応する合焦光学素子１６から対応する導波路２０に送信される光を反射することができる。更なる例として、導波路２０が合焦光学素子１６の向きに直交する方向に向けられている場合には、フォールディング素子１４は、光を直角に反射するために、ＰＩＣ１０内で４５度の角度に形成することができる。したがって、反射ビームは、フォールディング素子１４を入射光ビームに対して９０度の角度で出ることができる。他の角度を使用して、合焦光学素子１６のそれぞれから対応する導波路２０に送信される光を反射することができることが認識されるであろう。したがって、フォールディング素子１４は、合焦光学素子１６から、入射光の方向に対して横（例えば直交）方向に向けることができる対応する導波路２０に光を方向付けるプリズムとしての役割を果たすことができる。有利には、これによって、合焦光学素子１６がマルチアパーチャ光学システム１００の他の素子／構成要素を覆うＰＩＣデバイスの形態で、平坦な薄いモノリシックＦＳＯＣシステムの構築が可能になる。

いくつかの実施形態では、各導波路２０は、位相シフタ１８に結合され、対応する位相シフタ１８を通じてフォールディング素子１４によって反射された光を搬送するように構成される。米国特許出願第１５／２１７８３３号に記載されている代替のＦＳＯＣシステムは、上記で論述したように光ファイバの形態の導波路を用いるが、本明細書に記載する様々な実施形態のマルチアパーチャ光学システムは、合焦素子を位相シフタに結合するための光ファイバの使用を不要にする。いくつかの実施形態では、導波路２０は、ＰＩＣ１０上にリソグラフィによって形成される。或いは、導波路２０は、超高速レーザ刻印（ＵＬＩ：ultrafast laser inscription）を使用してＰＩＣ１０上に製作することができる。したがって、導波路が、個々に正確に位置合わせされる必要がある光ファイバの形態である米国特許出願第１５／２１７８３３号に記載されている代替のＦＳＯＣシステムとは対照的に、導波路２０は、ＰＩＣ１０上の所望の位置に直接製作することができる。したがって、前述の構成によって、モノリシックな、（基準インジケータのロケーションに基づいて）事前に位置合わせされたマルチアパーチャ光学システムが得られ、これによって、個別の合焦光学素子及び光ファイバ導波路の手動の位置合わせの単調なプロセスがなくなる。さらに、前述の構成は、従来のＦＳＯＣシステムと比較して改善された熱的安定性及びジッタ耐性を有する製品を提供する。米国特許出願第１５／２１７８３３号に記載されている代替のＦＳＯＣシステムは、シングルモード光ファイバ内に結合された小型レンズの機械的アレイを用い、それによって、個別の合焦光学素子及び光ファイバ導波路の細かすぎるシングルミクロンの位置合わせが必要となる。対照的に、本明細書に記載する様々な実施形態のマルチアパーチャ光学システムは、リソグラフィによって画定されたチップを使用して製作することができ、それによって、個々の構成要素の高精度の位置合わせの必要がなくなり、製造コストが激減される。

いくつかの実施形態では、各位相シフタ１８は、対応する合焦光学素子１６によって受信される光信号の位相を処理する。各位相シフタ１８は、制御信号（例えば位相コマンド信号）をコントローラ３０から受信し、それぞれの合焦素子１６から受信されるそれぞれの入力光信号の位相を制御信号に基づいて処理する（例えばシフトする）ことができる。いくつかの実施形態によれば、各位相シフタ１８は、熱位相シフタ、半導体位相シフタ、又は電気光学位相シフタとすることができる。

各光学セル１２は、位相シフタ１８と直列に配置された光増幅器２８を更に備えることができる。ＰＩＣ１０上に製作される光学構成要素における挿入損失、特にそれらの結合箇所における挿入損失に起因して、光増幅器２８を各光路に含めて、それぞれの位相シフタ１８からの出力チャネル信号を増強することができる。光増幅器２８は、半導体光増幅器（ＳＯＡ）又は光学的にポンピングされるドープされた結晶質増幅器若しくはセラミック増幅器若しくはガラス増幅器とすることができる。

図５Ａは、本開示のいくつかの実施形態による、図４の光学セルの例示的な部分断面図である。図５Ｂは、本開示のいくつかの実施形態による、図４の光学セルの例示的な部分断面図である。図５Ｃは、本開示のいくつかの実施形態による、図４の光学セルの例示的な部分断面図である。簡潔に上述したように、合焦光学素子１６のそれぞれは、マイクロレンズ、リソグラフィによって画定されたレンズ、屈折率分布型レンズ、ホログラフィによって形成されたレンズ、屈折レンズ、回折光学部品類、又は格子カプラとすることができる。図５Ａは、合焦光学素子１６がマイクロレンズである構成を示している。これらの実施形態では、球面マイクロレンズを作製するために、例えばインクジェット印刷又はレーザ直接描画を使用して、マイクロレンズを基板３２上に製作することができる。図５Ｂは、合焦光学素子１６がリソグラフィによって画定されたレンズである構成を示している。これらの実施形態では、複数の層を互いの上部でエッチングして概ね球面のレンズを作製することによって、各合焦光学素子１６を基板３２上に製作することができる。合焦光学素子１６を基板３２上にリソグラフィによって形成することは、合焦光学素子１６を極めて小さなパターン（例えば１０μｍの大きさのサイズ）で作製することができるという点で有利である。さらに、合焦光学素子１６を基板３２上にリソグラフィによって形成することは、合焦光学素子の形状及びサイズに対する正確な制御をもたらすので、合焦光学素子を基板３２全体にコスト効率よく製作することができる。図５Ｃは、合焦光学素子１６が屈折率分布型（ＧＲＩＮ：gradient-index）レンズである構成を示している。

図６は、印刷ＧＲＩＮ技術を使用してモード変換を組み込んだ合焦素子の断面図である。密集した従来のレンズ素子を使用すると、送信において、均一でないフルアパーチャにわたる強度プロファイルが生成される場合がある。これは、導波路を出る横モードプロファイルが非均一であり、高頻度でほぼガウシアン形状を有することに起因する。この形状はレンズ素子に伝播するので、ガウシアン形状は保持される。サブアパーチャアレイの構築が、モードがサブアパーチャよりも小さくなるようなものである場合には、アレイにわたって強度の非均一性が存在することになる。モードをサブアパーチャよりもはるかに大きくして、強度変動が最小にされる場合には、モードのクリッピングに関連した損失が存在することになる。この問題を回避する１つの方法は、導波路出口の近くにおけるガウシアンモード（入力横モード）を合焦素子平面におけるトップハット形状又はスーパーガウシアン形状（出力横モード）に変換するモード変換器を制作することである。これによって、高い損失を招かないとともに、アレイにわたってはるかに均一な強度プロファイルが生成される。この手法は、図６に示すように実施することができる。図６では、合焦素子は、Voxel, Inc.社から入手可能なもの等の印刷ＧＲＩＮ技術を使用して製作される。この技術は、３つの次元において一般に任意の屈折率プロファイルの製作を可能にする。これは、更に、小さなガウシアン入力ビームを、出力においてサブアパーチャをほぼ満たし効率を最適化するほぼ上部が平坦なビームに変換するモード変換器の製作を可能にする。

図７は、本開示のいくつかの実施形態による、図２のマルチアパーチャ光学システムの光学セルのうちの１つに入射する光を示す斜視図である。図７に示すように、フォールディング素子は、格子カプラ７０とすることができる。これらの実施形態では、格子カプラ７０は、ＰＩＣに直接形成することができる。格子カプラは、自由空間又は光ファイバと光導波路との間で光を効率的に結合するのに一般に使用される。導波路２０内を伝播される光は、格子カプラ７０内に伝わり、導波路平面に対してほぼ法線入射で回折される。導波路からシングルモードファイバへの９０％を越える結合効率といった非常に高効率のデバイスが実証されている。フォールドミラーを上回るファイバカプラの利点は、製作が簡単であることと、特定のニーズを満たすように放出ビーム直径の調整が可能であることとを含む。ミラーの場合に、ビーム直径は、直径が数百ｎｍしかない場合がある固有の導波路モードによって決まる。これは、ビームが急速に発散し、レンズまでの間隔を、製造誤差及び位置決め誤差の影響を非常に受けやすいものにすることを意味する。格子カプラは、直径が数マイクロメートル等のより大きなモードの作製を可能にする。これによって、合焦許容誤差は、１０分の１以上等に大きく低減される。

本開示の方法及びシステムは、光ファイバを導波路として使用することなく光をＰＩＣ１０内に導入する、ＰＩＣ１０上にモノリシックに製作された光学セル１２のアレイを提供するのに利用することができる。いくつかの実施形態によれば、光学セル１２はそれぞれ、導入された光を実質的に直角に反射する、ＰＩＣ１０内に埋設されたフォールディング素子１４に光学的に結合された合焦光学素子１６を備える。ただし、他の実施形態では、上記で論述したように、格子カプラが、自由空間と光導波路との間で光を結合するのに使用される場合には、導入された光を７５度～８０度の範囲の角度で反射することができる。いくつかの実施形態によれば、マルチアパーチャ光学システム１００を製造する方法は、ＰＩＣ１０を準備することと、ＰＩＣ１０上に複数の光学セル１２をモノリシックに製作することとを含むことができ、各光学セル１２は、フォールディング素子１４と、合焦光学素子１６と、位相シフタ１８と、位相シフタ１８に結合された導波路２０とを備える。複数の光学セル１２をＰＩＣ１０上にモノリシックに製作することは、各光学セル１２について、フォールディング素子１４をＰＩＣ１０内に統合することと、位相シフタ１８をＰＩＣ１０に埋設することと、導波路２０をＰＩＣ１０上に製作することと、光ファイバのない導波路を位相シフタ１８に結合することと、フォールディング素子１４の上方においてＰＩＣ１０に結合されるスペーサ基板３２上に合焦光学素子１６をリソグラフィによって形成することとを含むことができる。

この方法は、ビームコンバイナ２２及び光検出器２６をＰＩＣ１０上に製作することを更に含むことができる。光検出器２６は、ビームコンバイナ２２に結合することができ、ビームコンバイナ２２は、各位相シフタ１８に結合することができる。この方法は、光検出器２６から出力される信号に基づいて各位相シフタ１８の位相シフトを制御するコントローラ３０を光検出器２６及び各位相シフタ１８に結合することを更に含むことができる。ＰＩＣ１０、スペーサ基板３２、複数の光学セル１２、ビームコンバイナ２２、及び光検出器２６は、単一のモノリシックに形成された光ヘッドとして統合される。特に、合焦光学素子１６は、基板３２の第１の側にリソグラフィによって形成することができ、フォールディング素子、位相シフタ、導波路、ビームコンバイナ、及び光検出器は、ＰＩＣ１０上にリソグラフィによって形成することができ、ＰＩＣ１０は、基板３２の第２の側に結合されて単一のモノリシック構造物を形成することができる。

いくつかの実施形態によれば、この方法は、複数の光学セル１２を単一平面において１次元アレイ又は２次元アレイに位置決めすることを更に含むことができる。複数の光学セル１２は、単一平面に配置することができ、基板と、合焦素子のそれぞれとは、第１の層を形成することができ、フォールディング素子と、導波路と、位相シフタとのそれぞれと、ビームコンバイナとは、第２の層を形成することができる。

したがって、この製造方法によって、モノリシックな、事前に位置合わせされた光ファイバのないマルチアパーチャ光学システムが得られ、これによって、個別の合焦光学素子及び光ファイバ導波路の手動の位置合わせの単調なプロセスがなくなる。光ファイバは、従来から振動の影響を極めて受けやすいので、例えば導波路の形態で光ファイバを用いるＦＳＯＣシステムは、一般に不安定であり、移動するプラットフォーム上で用いることが困難である。さらに、光ファイバを用いるＦＳＯＣシステムは、一般に、或る特定の程度の温度変化に晒されると故障の影響を受けやすいことがある。対照的に、本明細書に記載する様々な実施形態の方法及びシステムは、従来のＦＳＯＣシステムと比較して改善された熱的安定性及びジッタ耐性を有するＦＳＯＣシステムを提供する。加えて、米国特許出願第１５／２１７８３３号に記載されているような代替のＦＳＯＣシステムは、シングルモード光ファイバ内に結合された小型レンズの機械的アレイを用い、それによって、個別の合焦光学素子及び光ファイバ導波路の細かすぎるシングルミクロンの位置合わせの性能が必要となる。対照的に、本明細書に記載する様々な実施形態のモノリシックに形成されたマルチアパーチャ光学システムは、リソグラフィによって画定されたチップを使用して製作することができ、それによって、個々の構成要素の高精度の位置合わせの必要がなくなり、製造コストが激減される。

これまでの記載は、マルチアパーチャ光学システム１００をＦＳＯＣに使用することを論述してきた。いくつかの実施形態によれば、本明細書に記載するマルチアパーチャ光学システム１００は、コヒーレントＬＩＤＡＲシステムに適用することもできるし、コヒーレントＬＩＤＡＲシステムとともに使用することもできる。理解することができるように、コヒーレントＬＩＤＡＲシステムは、通常、ＦＳＯＣとともに使用される素子として同様の機能的素子を組み込んでいる。その結果、同じ技術を使用して、コヒーレントＬＩＤＡＲシステムを製作することができる。本開示の様々な態様は、光のビームを制御された角度方向に送信することを可能にする。そのような能力は、付加的な用途、例えば、光がリモートエリアに誘導される光学照明器、及び、光がリモートエリアに誘導され、光の強度が所定の時間コードに従って変更される光学指示器を含むが、これらに限定されない用途にとって望ましい。

単数形での要素への言及は、特に明言されていない限り、１つ及び１つのみを意味するように意図されておらず、逆に、１つ以上を意味するように意図されている。例えば、「一（"a"）」モジュールは、１つ以上のモジュールを指すことができる。「一（"a," "an"）」、「その（"the"）」又は「上記（"said"）」が付いた要素は、更なる制約を伴うことなく、追加の同じ要素の存在を排除するものではない。

表題及び副題がある場合に、これらは、便宜上のためにのみ使用され、本開示を限定するものではない。用語「例示的な」は、一例又は一例示としての役割を果たすことを意味するのに使用される。用語「含む／備える」、「有する」、又は同様の用語が使用される限りにおいて、そのような用語は、用語「備える／含む」が特許請求の範囲において遷移語として用いられるときに解釈されるように、「備える／含む」と同様に包含的であることが意図されている。「第１」及び「第２」並びに同様の用語等の関係語は、或る実体又は動作を別の実体又は動作と区別するために使用することができ、そのような実体又は動作の間に何らかの実際のそのような関係又は順序を必ずしも必要とすることも意味することもない。

一態様、態様、別の態様、いくつかの態様、１つ以上の態様、一実施態様、実施態様、別の実施態様、いくつかの実施態様、１つ以上の実施態様、一実施形態、実施形態、別の実施形態、いくつかの実施形態、１つ以上の実施形態、一構成、構成、別の構成、いくつかの構成、１つ以上の構成、主題技術、開示、本開示、本開示の他の変形形態等の表現は、便宜上のものであり、そのような表現（複数の場合もある）に関係した開示が本主題技術に必須であることも、そのような開示が本主題技術の全ての構成に適用されることも意味するものではない。そのような表現（複数の場合もある）に関係した開示が、全ての構成、又は１つ以上の構成に適用される場合がある。そのような表現（複数の場合もある）に関係した開示が、１つ以上の例を提供する場合がある。一態様又はいくつかの態様等の表現は、１つ以上の態様を指す場合があり、その逆も同様であり、これは、他の上記表現にも同様に当てはまる。

一連の項目のいずれかを分離する用語「及び／並びに」又は「又は／若しくは」を伴う一連の項目の後に続く「～のうちの少なくとも１つ」という表現は、この列挙されたものの各メンバではなく、この列挙されたものを全体として修飾する。「～のうちの少なくとも１つ」という表現は、少なくとも１つの項目の選択を必要としない。逆に、この表現は、項目のあらゆる１つのうちの少なくとも１つ、及び／又は項目を組み合わせたもののうちの少なくとも１つ、及び／又は項目のそれぞれのうちの少なくとも１つを含む意味を可能にする。例として、「Ａ、Ｂ、及びＣのうちの少なくとも１つ」又は「Ａ、Ｂ、又はＣのうちの少なくとも１つ」という表現はそれぞれ、Ａのみ、Ｂのみ、若しくはＣのみ；Ａ、Ｂ、及びＣの組み合わせ；及び／又はＡ、Ｂ、及びＣのそれぞれのうちの少なくとも１つを指す。

開示されるステップ、動作又はプロセスの特定の順序又は階層は、例示的な手法の一例証であるものと理解される。別段明記されていない限り、ステップ、動作又はプロセスの特定の順序又は階層は異なる順序で実行することができるものと理解される。ステップ、動作又はプロセスのうちのいくつかは、同時に実行することができる。添付の方法の請求項がある場合に、これらは、様々なステップ、動作又はプロセスの要素をサンプルの順序で提示し、提示される特定の順序又は階層に限定されることを意味しない。これらは、順次的に、直線的に、並行して、又は異なる順序で実行することができる。記載する命令、動作、及びシステムは、一般に、単一のソフトウェア／ハードウェア製品においてともに統合されるか、又は複数のソフトウェア／ハードウェア製品にパッケージ化され得ることが理解されるべきである。

１つの態様では、「結合される」等の用語は、直接結合されることを指すことができる。別の態様では、「結合される」等の用語は、間接的に結合されることを指すことができる。

「最上部」、「底部」、「前部」、「後部」、「側部」、「水平」、「垂直」等の用語は、通常の重力基準系ではなく任意の基準系を基準とする。したがって、そのような用語は、重力基準系における上方向、下方向、斜め方向、又は水平方向に延びるものである場合がある。

本開示は、いずれの当業者も、本明細書に記載する様々な態様を実施することができるように提供されている。いくつかの場合には、主題技術の概念を不明瞭にしないために、既知の構造物及び構成要素はブロック図の形で示されている。本開示は、主題技術の様々な例を提供し、主題技術はこれらの例に限定されるものではない。これらの態様に対する様々な変更は、当業者に容易に明らかであり、本明細書に記載する原理は、他の態様に適用することができる。

当業者に既知であるか又は後に知られることになる、本開示の全体を通して記載する様々な態様の要素の全ての構造的及び機能的な均等物は、引用することによって明らかに本明細書の一部をなすものとし、特許請求の範囲によって包含されることが意図されている。その上、本明細書に開示されているものはいずれも、そのような開示内容が特許請求の範囲に明示的に列挙されているか否かを問わず、一般公衆に提供されることは意図されていない。請求項の要素はいずれも、その要素が明らかに「～のための手段（means for）」という表現を用いて列挙されていない限り、又は方法の請求項の場合には、その要素が「～のためのステップ（step for）」という表現を用いて列挙されていない限り、米国特許法第１１２条第６項の規定に基づいて解釈されるべきではない。

発明の名称、背景技術、図面の簡単な説明、要約書及び図面は、本開示の一部をなすものとし、本開示の限定的な記載としてではなく、例示的な例として提供されている。それらは、請求項の範囲又は意味を限定するために使用されるものではないという理解に基づいて、提出される。さらに、詳細な説明において、説明は、例示的な例を提供し、様々な特徴は、本開示を合理化する目的で様々な実施態様において合わせてグループ化されることも分かる。本開示の方法は、請求項に係る主題が各請求項において明示的に記載されているものより多くの特徴を必要とするという意図を反映するものとして解釈されるべきではない。むしろ、請求項が反映するように、本発明の主題は、単一の開示する構成又は動作の全ての特徴より少ない特徴にある。特許請求の範囲は、詳細な説明の一部をなすものとし、各請求項は、別個に請求項に係る主題として独立している。

特許請求の範囲は、本明細書に記載する態様に限定されるように意図されておらず、言語による特許請求の範囲に一貫する十分な範囲が与えられるべきであり、全ての法的均等物を包含するものである。それにもかかわらず、請求項のいずれも、適用可能な特許法の要件を満足しない主題を包含するようには意図されておらず、そのように解釈されるべきでもない。

Claims (23)

1. 光集積回路と、
   前記光集積回路に結合されたスペーサ基板と、
   複数の光学セルであって、各光学セルは、
   前記スペーサ基板上に形成され、該光学セル上に入射する光を受信し、該光を、前記光集積回路を通じてフォールディング素子上に合焦させるように構成された合焦光学素子を有し、前記フォールディング素子は前記光集積回路内に統合されて、該光学セル上に入射する前記光を導波路内に結合し、
   前記導波路は、前記光集積回路内に統合され、位相シフタに結合され、該位相シフタを通じて前記フォールディング素子によって反射された前記光を搬送するように構成され、
   前記位相シフタは、前記合焦光学素子に結合され、前記合焦光学素子によって受信された光信号の位相をシフトするように構成される、前記複数の光学セルと、
   前記位相シフタに結合され、前記位相シフタから出力される光を組み合わせるように構成されるビームコンバイナと、
   前記ビームコンバイナに結合されて、前記ビームコンバイナから出力される前記組み合わされた光を受信し、対応する信号を出力する光検出器と、を備え、
   前記光集積回路、前記スペーサ基板、前記複数の光学セル、前記ビームコンバイナ、及び前記光検出器は、単一のモノリシックに形成された光ヘッドとして統合される、マルチアパーチャ光学システム。
2. 前記光検出器及び前記位相シフタに結合されて、前記光検出器から出力される前記信号に基づいて各位相シフタの位相シフトを制御するコントローラを更に備える、請求項１に記載のマルチアパーチャ光学システム。
3. 前記導波路は、光ファイバがない導波路を含む、請求項１に記載のマルチアパーチャ光学システム。
4. 前記複数の光学セル、前記ビームコンバイナ、及び前記光検出器は、前記光集積回路上にリソグラフィによって形成される、請求項１に記載のマルチアパーチャ光学システム。
5. 前記合焦光学素子は、マイクロレンズ、リソグラフィによって画定されたレンズ、屈折率分布型レンズ、ホログラフィによって形成されたレンズ、屈折レンズ、回折光学部品類、及びメタマテリアルレンズからなる群から選択される、請求項１に記載のマルチアパーチャ光学システム。
6. 前記合焦光学素子は、入力横モード形を異なる出力横モード形に変換する、請求項１に記載のマルチアパーチャ光学システム。
7. 前記入力横モード形は実質的にガウシアンであり、前記出力横モード形は実質的にスーパーガウシアンである、請求項６に記載のマルチアパーチャ光学システム。
8. 前記合焦光学素子は、約１０μｍ～約１０ｍｍの範囲の直径を有する、請求項１に記載のマルチアパーチャ光学システム。
9. 前記フォールディング素子は、マイクロミラー又は格子カプラを含む、請求項１に記載のマルチアパーチャ光学システム。
10. 前記フォールディング素子は、前記合焦光学素子から入射する前記光を約７５度～９０度の範囲の値だけ折り曲げるように構成される、請求項１に記載のマルチアパーチャ光学システム。
11. 前記導波路は、前記光集積回路上又は前記光集積回路内にリソグラフィによって形成される、請求項１に記載のマルチアパーチャ光学システム。
12. 前記導波路は、超高速レーザ刻印（ＵＬＩ）を使用して前記光集積回路上に形成される、請求項１に記載のマルチアパーチャ光学システム。
13. 前記位相シフタは、熱位相シフタ、半導体位相シフタ、又は電気光学位相シフタからなる群から選択される、請求項１に記載のマルチアパーチャ光学システム。
14. 前記複数の光学セルは、単一平面において１次元アレイ又は２次元アレイに位置決めされる、請求項１に記載のマルチアパーチャ光学システム。
15. 前記複数の光学セルは、実質的に単一の平面に配置され、
    前記スペーサ基板と前記合焦光学素子のそれぞれとは、第１の層を形成し、前記フォールディング素子と、前記導波路と、前記位相シフタとのそれぞれと、前記ビームコンバイナとは、第２の層を形成する、請求項１に記載のマルチアパーチャ光学システム。
16. 前記各光学セルは、前記位相シフタと直列に配置された光増幅器を更に備える、請求項１に記載のマルチアパーチャ光学システム。
17. 前記光増幅器は、半導体光増幅器（ＳＯＡ）又は光学的にポンピングされるドープされた結晶質若しくはセラミック若しくはガラスを含む、請求項１６に記載のマルチアパーチャ光学システム。
18. 前記複数の光学セルの前面に位置決めされた粗いビームステアリング素子を更に備える、請求項１に記載のマルチアパーチャ光学システム。
19. 前記粗いビームステアリング素子は、液晶ビームステアリングデバイス又は機械的にステアリングされるミラーを含む、請求項１８に記載のマルチアパーチャ光学システム。
20. 複数の光学セルを光集積回路上に製作することであって、各光学セルは、フォールディング素子と、合焦光学素子と、位相シフタと、該位相シフタに結合された導波路と備え、該製作することは、前記各光学セルについて、
    前記フォールディング素子を前記光集積回路内に統合することと、
    前記位相シフタを前記光集積回路に埋設することと、
    前記導波路を前記光集積回路上又は前記光集積回路内に製作し、前記導波路を前記位相シフタに結合することと、
    前記合焦光学素子を、前記フォールディング素子の上方において前記光集積回路に結合されたスペーサ基板上に製作することと、を含んでいることと、
    ビームコンバイナ及び光検出器を前記光集積回路上に製作することであって、前記光検出器は前記ビームコンバイナに結合され、前記ビームコンバイナは前記各位相シフタに結合されることと、を含み、
    前記光集積回路、前記スペーサ基板、前記複数の光学セル、前記ビームコンバイナ、及び前記光検出器は、単一のモノリシックに形成された光ヘッドとして統合される、マルチアパーチャ光学システムを製造する方法。
21. 前記光検出器から出力された信号に基づいて前記各位相シフタの位相シフトを制御するコントローラを前記光検出器及び前記各位相シフタに結合することを更に含む、請求項２０に記載の方法。
22. 光増幅器を前記光集積回路上に前記各位相シフタと直列に製作することを更に含む、請求項２０に記載の方法。
23. 前記複数の光学セル、前記ビームコンバイナ、及び前記光検出器は、前記光集積回路上にリソグラフィによって形成される、請求項２０に記載の方法。
    

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