JP2023547768A - 光フェーズドアレイの光操舵 - Google Patents

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カティア スティルコバ、
クリストファー ビンセント プールトン、
エーサン シャー ホセイニ、
ベンジャミン ロイ モス、
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アナログ フォトニクス エルエルシー
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Abstract

装置が、(例えばフォトニック集積回路上の)光フェーズドアレイと、合焦素子と、操舵素子とを含み、当該合焦素子は、当該光フェーズドアレイに対する固定位置に存在して当該光フェーズドアレイから光ビームを受信するように構成されてよく、当該操舵素子は、当該合焦素子に対する固定位置に存在して当該合焦素子から受信した光ビームを送信するように構成されてよい。いくつかの実装例において、合焦素子又は操舵素子の少なくとも一方が、フォトニック集積回路に外部結合される。

Description

関連出願の相互参照
本願は、2020年11月11日に出願された「光フェーズドアレイの光操舵」との名称の米国仮出願第63/112,301号、及び2021年7月23日に出願された「光フェーズドアレイの光操舵」との名称の米国仮出願第63/203,468号の優先権及び利益を主張する。
本願は光フェーズドアレイの光操舵に関する。
放射体素子(放射体又はアンテナとも称する)の直線状分布を有する光フェーズドアレイ(Optical Phased Array(OPA))が存在する。各放射体素子に光を供給する複数の位相シフタにおける相対的な位相シフトを変更することによって、直線状分布に垂直な第1軸まわりに操舵することができる。第1軸に直交する第2軸まわりに操舵するべく、他の技法も使用することができる。
一側面において、一般に装置が、光フェーズドアレイを含むフォトニック集積回路と、当該光フェーズドアレイに対する固定位置にある合焦素子であって、当該光フェーズドアレイから光ビームを受信するように構成される合焦素子と、当該合焦素子に対する固定位置に存在して当該合焦素子から受信した光ビームを送信するように構成される操舵素子とを含む。合焦素子又は操舵素子の少なくとも一方が、フォトニック集積回路に外部結合される。
複数の側面が、以下の特徴の一つ以上を含み得る。
操舵素子は分散素子を含む。
分散素子は回折素子を含む。
分散素子は反射素子を含む。
反射素子はプリズムを含む。
合焦素子はレンズを含む。
合焦素子は反射面を含む。
フォトニック集積回路、合焦素子及び操舵素子は、LiDARシステムの少なくとも一部分に含まれる。
フォトニック集積回路、合焦素子及び操舵素子は、通信システムの自由空間光リンクに含まれる。
他側面において、一般に、装置が、光フェーズドアレイと、当該光フェーズドアレイに対する固定位置にある反射面であって、当該光フェーズドアレイから受信した光ビームをリダイレクトするように構成される反射面と、当該反射面に対する固定位置にある操舵素子であって、当該反射面からリダイレクトされた当該光ビームを送信するように構成される操舵素子とを含む。
複数の側面が、以下の特徴の一つ以上を含み得る。
反射面は実質的に、少なくとも第1平面において光ビームをコリメートする形状にされる。
装置はさらに、光フェーズドアレイの複数のアンテナ素子に光波を与えるべく構成される光源も含む。
複数のアンテナ素子間の相対的なフェーズシフトによって、第1平面に垂直な第2平面において光フェーズドアレイから放射される光ビームが操舵される。
操舵素子は回折素子を含み、光源は光フェーズドアレイの複数のアンテナ素子に与えられる光波の波長をチューニングするように構成されるチューニング可能光源を含み、当該チューニングされた波長によって、当該回折素子から放射された光ビームが第1平面において操舵される。
操舵素子は、第1平面においてビームを電子的に操作するべくチューニングされるように構成される回折素子を含む。
光フェーズドアレイ、反射面及び操舵素子は、LiDARシステムの少なくとも一部分に含まれる。
光フェーズドアレイ、反射面及び操舵素子は、通信システムの自由空間光リンクの少なくとも一部分に含まれる。
他側面において、一般に、装置が、光フェーズドアレイと、当該光フェーズドアレイに対する固定位置にあるレンズであって、当該光フェーズドアレイから光ビームを受信するように構成されるレンズと、当該レンズに対する固定位置にある操舵素子であって、当該レンズから受信された当該光ビームを送信するように構成される操舵素子とを含む。
複数の側面が、以下の特徴の一つ以上を含み得る。
レンズは実質的に、少なくとも第1平面において光ビームをコリメートする形状にされる。
装置はさらに、光フェーズドアレイの複数のアンテナ素子に光波を与えるべく構成される光源も含む。
複数のアンテナ素子間の相対的な位相シフトによって、第1平面に垂直な第2平面において光フェーズドアレイから放射される光ビームが操舵される。
操舵素子は回折素子を含み、光源は光フェーズドアレイの複数のアンテナ素子に与えられる光波の波長をチューニングするように構成されるチューニング可能光源を含み、当該チューニングされた波長によって、当該回折素子から放射された光ビームが第1平面において操舵される。
操舵素子は、第1平面においてビームを電子的に操作するべくチューニングされるように構成される回折素子を含む。
光フェーズドアレイは、フォトニック集積回路に形成されるそれぞれの光導波路に結合される複数のアンテナ素子を含む。
光フェーズドアレイ、レンズ及び操舵素子は、LiDARシステムの少なくとも一部分に含まれる。
光フェーズドアレイ、レンズ及び操舵素子は、通信システムの自由空間光リンクの少なくとも一部分に含まれる。
他側面において、一般に、装置が、複数の光フェーズドアレイと、当該複数の光フェーズドアレイに対する固定位置にある一の合焦素子であって、当該複数の光フェーズドアレイから光ビームを受信するように構成される一の合焦素子とを含む。合焦素子は、少なくとも第1平面において光ビームを実質的にコリメートするように配置及び構成される。
複数の側面が、以下の特徴の一つ以上を含み得る。
複数の光フェーズドアレイ及び一の合焦素子が、LiDARシステムの少なくとも一部分に含まれる。
複数の光フェーズドアレイ及び一の合焦素子が、通信システムの自由空間光リンクの少なくとも一部分に含まれる。
複数の光フェーズドアレイは、それぞれのペデスタルに配列され、各光フェーズドアレイが第1軸に沿った直線状アレイの放射体素子を含み、それぞれの直線状アレイの放射体素子が、第1軸に沿って他の直線状アレイに対してオフセットされ、かつ、第1軸に垂直な第2軸に沿って他の直線状アレイに対してオフセットされる。
他側面において、一般に、装置が、光フェーズドアレイと、当該光フェーズドアレイに対する固定位置にある合焦操舵素子であって、当該光フェーズドアレイからの光ビームを受信するように構成される合焦操舵素子とを含み、当該合焦操舵素子は、少なくとも第1平面において当該光ビームを実質的にコリメートすることと、当該第1平面において当該光ビームを操舵することとを行うように構成される。
複数の側面が、以下の特徴の一つ以上を含み得る。
合焦操舵素子は合焦回折素子を含む。
一の光フェーズドアレイ及び一の合焦操舵素子が、LiDARシステムの少なくとも一部分に含まれる。
一の光フェーズドアレイ及び一の合焦素子が、通信システムの自由空間光リンクの少なくとも一部分に含まれる。
他側面において、一般に、装置が、光フェーズドアレイと、当該光フェーズドアレイに対する固定位置にある反射合焦素子であって、当該光フェーズドアレイから光ビームを受信して当該光ビームを送信するように構成される反射合焦素子とを含む。
複数の側面が、以下の特徴の一つ以上を含み得る。
反射合焦素子は反射面を含む。
装置はさらに、反射合焦素子に対する固定位置にある回折素子であって、反射面からリダイレクトされた光ビームを送信するように構成される回折素子を含む。
回折素子は曲線状回折素子を含み、この曲線状回折素子は、当該曲線状回折素子を通して光ビームを送信する。
一の光フェーズドアレイ及び一の反射合焦素子が、LiDARシステムの少なくとも一部分に含まれる。
一の光フェーズドアレイ及び一の反射合焦素子が、通信システムの自由空間光リンクの少なくとも一部分に含まれる。
複数の側面が、以下の利点のうち一つ以上を有し得る。
ここに記載される技術は、一つ以上のPOAを含むOPAベースの送受信器のための様々な操舵メカニズム及び/又は合焦メカニズムを与えるべく使用することができる。送受信器は、所望の送信角度及び/又は受信角度で光ビームを送信及び/又は受信するべく使用することができる。OPAベースの送受信器のいくつかの実装例において、一つ以上のフォトニック集積回路(又はチップ)が、OPA位相シフトを使用して第1軸まわりに操舵されるビームを与えるべくコヒーレントに干渉する光を放射するOPAアンテナの直線状配列体を含む。OPAベースの送受信器は、第1軸に垂直な第2軸まわりに操舵するための様々な他のメカニズムのいずれかをコンパクトかつ効率的な態様で含むように構成することができる。以下に詳述される様々な技術によって、ビームコリメーションも与えることができる。これらの技術は、例えば、OPAベースのLiDARセンサシステムのために使用することができ、ノード間の自由空間光リンクを使用する通信システムのノードのような遠隔通信端末のために使用することもできる。かかる光システムにとって、ビームを形成する波は、光学波、光波又は単に光とも称する特定の光波長範囲(例えば約10nmから約1mmまで又はその一部の範囲)に該当するピーク波長を有するスペクトルを有する。
以下の記載から、並びに図面及び特許請求の範囲から、他の特徴及び利点が明らかになる。
本開示は、添付図面と併せて読むと、以下の詳細な説明から最もよく理解される。一般的な慣行により図面の様々な特徴が縮尺通りではないことが強調される。逆に、様々な特徴部の寸法は、わかりやすくするべく任意に拡大又は縮小される。
図1は、例示的なOPAベースの送受信器の模式図である。 図2A及び図2Bは、例示的なOPAチップの模式図である。 図3A、図3B及び図3Cは、OPAビーム拡張の模式図である。 図4A及び図4Bは、ビーム拡張を制限する構造の模式図である。 図5は、ビーム拡張を制限する格子放射体のアレイの模式図である。 図6は、コリメーティングレンズを備えるOPAの模式図である。 図6は、コリメーティングレンズ及び二次操舵メカニズムを備えるOPAの模式図である。 図8は、合焦操舵素子を備えるOPAの模式図である。 図9は、ビーム位相フロントを平坦化し及び傾斜させるべく構成される素子の模式図である。 図10は、ビーム位相フロントを平坦化するように構成される素子の模式図である。 図11は、ビーム位相フロントを平坦化し及び傾斜させるべく構成される素子の模式図である。 図12は位相板構造の模式図である。 図13A及び図13Bは例示的なレンズ配列の模式図である。 図14A及び図14Bは例示的なレンズ配列の模式図である。 図15は、合焦素子として使用される曲面ミラーの模式図である。 図16A、図16B及び図16Cは、合焦素子として使用される曲面ミラーのための光線の模式図である。 図16A、図16B及び図16Cは、合焦素子として使用される曲面ミラーのための光線の模式図である。 図17A及び図17Bはビーム拡張のスケッチである。 図18A、図18B及び図18Cは、エンドファイア導波路例の特徴を表す模式図である。 図19は、ハーフミラー例の模式図である。 図20は、ハーフミラー例に関連付けられる光線のスケッチである。 図21は、円筒ミラーにより合焦される平面波の模式図である。 図22は、図21の例に関連付けられる波数ベクトルの模式図である。 図23は、下方向に輝くビームの焦点の模式図である。 図24は、図23の例に対する焦点面曲線の模式図である。 図25は、OPA位置異動に対応するビーム回転の模式図である。 図26A及び図26Bは、ペデスタルにおける例示的なOPAチップ配列の模式図である。 図26A及び図26Bは、ペデスタルにおける例示的なOPAチップ配列の模式図である。 図27は、ミラー及び二次操舵素子を使用するOPA操舵配列の模式図である。 図28及び図29は、例示的なLiDARセンサシステムの模式図である。 図28及び図29は、例示的なLiDARセンサシステムの模式図である。 図30A及び図30Bは、多数のOPAチップを備えるOPA操舵配列の模式図である。 図30A及び図30Bは、多数のOPAチップを備えるOPA操舵配列の模式図である。 図31は通信システムの模式図である。 図32A、図32B及び図32Cは、例示的な二次的操舵構成の模式図である。 図32A、図32B及び図32Cは、例示的な二次的操舵構成の模式図である。 図32A、図32B及び図32Cは、例示的な二次的操舵構成の模式図である。 図33A及び図33Bは、波長ベースの操舵のために使用される例示的な格子反射の模式図である。 図33A及び図33Bは、波長ベースの操舵のために使用される例示的な格子反射の模式図である。 図34は、プリズム又はウェッジを使用する例示的な屈折操舵メカニズムの模式図である。 図35A、図35B及び図35Cは、異なる屈折操舵配列体の波長依存性の模式図である。 図35A、図35B及び図35Cは、異なる屈折操舵配列体の波長依存性の模式図である。 図35A、図35B及び図35Cは、異なる屈折操舵配列体の波長依存性の模式図である。 図36は、曲面回折素子を使用する例示的な操舵メカニズムの模式図である。
OPAベースの送受信器の中で光フェーズドアレイから放射される光ビームは、例えば、反射構造物、分散構造物及び/又は屈折構造物を使用して操舵することができる。光フェーズドアレイへと受信される入射光ビームの受信角度を構成するべく、同じ「操舵」メカニズムを使用することができる。いくつかの実装例は、ビームのビーム発散を変更する二次的なコリメーティングデバイス又は合焦デバイスを利用する。かかる構成の一例が図1に示される。この実装において、OPAベースの送受信器100は一セットのOPA102を含み、当該一セットのOPA102は、例えば、直線状アンテナアレイにわたって干渉により形成されたビームを放射/受信するエンドファイアアンテナ又は短格子アンテナ(又は他の短いアンテナ)である光アンテナを利用するように構成され得る。この例において、OPA102はそれぞれが別個のチップに存在する。出射ビーム106Aの放射角度、及び入射ビーム106Bの(同じ)受信角度が、位相制御(すなわち、それぞれのアンテナに結合される位相シフタによって適用される相対的な位相シフトを制御すること)により、XZ平面(又はY軸まわりにおいて同等の平面)において操舵される。かかるエンドファイア(又は短格子)アンテナからのビームが拡張して凹面ミラー104を満たす。OPA102の端が、ミラー104に対する焦点距離105に置かれるので、当該ミラーから出る出射ビーム106Aは、YZ平面において発散するのではなくコリメートされる。図示のように、コリメートされたビーム107は、ミラー104上の照明スポット109からリダイレクトされる。この例において、YZ平面内で操舵することは操舵素子によって行われる。この操舵素子は、回折素子(例えば、回折格子のような回折表面素子)のような分散素子110を使用して、レーザチューニングを介して入射波長を変更することによって実装される。例えば、複数のOPA102すべてに光を供給する各OPA102における別個のレーザ(図示せず)又は一つのレーザ(図示せず)を使用してよい。代替的に、操舵素子は、液晶、メタ表面、偏光格子、音響光学、屈折素子(例えばプリズム)、及び/又は他の種類の分散素子のような代替メカニズムを使用することができる。XZ平面における操舵のためのOPA102と、YZ平面における操舵のための操舵素子とを組み合わせることにより、送受信器100の前にある光円錐をカバーする非機械的なビーム操舵器を作ることができる(光円錐の中心軸はZ方向にある)。XZ平面における視野は、単一のOPA102の単一ビーム操舵範囲によって決定される。例えば、位相操舵角度108の範囲が示される。多数のOPA102を、一セットのペデスタル112における異なる箇所に分散させて、単一のOPA102によって可能な範囲を超えるように視野(FOV)を拡張することができる。これは、図26A及び図26Bに対して以下に詳述される。
LiDARセンサシステムにおいてOPAベースの送受信器100が使用される場合、後方散乱光は逆方向に同じ経路を進行し、(図30A及び図30Bに対して以下に詳述されるように)同じOPA102、隣接する受信(Rx)OPA、又は隣接する送受信器によって収集される。この例における合焦光学素子として凹面(例えば円筒面)ミラー104が選択される。凹面ミラー104は、放射された出射ビーム106Aに収差を導入しないように構成することができるからである。しかしながら、円柱レンズに対しても同じことが当てはまるわけではない。マックスウェルの式を使用する例示的な分析がこの点を実証しており以下に与えられる。大きな面発光(面放射)アパチャに依存する複数の光フェーズドアレイが、アパチャサイズを制限し得る製造不完全性によって生じる収差に悩まされることがある。こうした不完全性は、例えば、表面の歪み(弓(bow))、層厚さの不均一性、又は不完全な導波路沿いの不均等な位相の蓄積によって引き起こされ得る。
さらに、面発光(面放射)が長い格子によって達成される場合、放射の方向は高度に波長依存性となり、(例えば波長掃引による意図的操舵の場合)有用となるか又は(例えばWDMデータ通信システムの場合)有害となり得る。この例示的実装例においては、長いアンテナ素子を必要とせずに大きな有効アパチャを達成するべく、外部1次元(1D)合焦/コリメーティング光学系に結合されたエンドファイア(又は短格子)アンテナ光フェーズドアレイが導入される。
図2Aを参照すると、OPAチップ200が、光入力202から導波路204のアレイへ等しい分布の(又はガウス分布のような所定分布の)光場を送達する分布ネットワーク201(例えば導波路ツリー又はスター結合器)を含む。個別の位相シフタ206(例えば、電気光学、熱、液晶、pn接合ベース等)を各導波路204に結合して、導波管204のアレイの端にあるエンドファイア放射体208から放射される光の位相を制御することができる。
この光は、OPAチップ200にあるか又はOPAチップ200から外れているレーザから、OPAチップ200にある光入力部202に結合することができる。放射体208からの光が位相シフタ206及び放射体208を通過して光円錐210へと放射される。各放射体208は、横方向及び上下方向における自身のエレメントファクタを生成する。位相シフタ206が、放射体208から出射される光に対して位相の線形進行(0-2π内に包まれ得る)を与える場合、すべての放射体からの光が結合されて、図2Bに示されるようにOPAチップ200の平面に実質的に平坦な位相フロント214(例えば平面波放射)を有する放射ビーム212になる。動作中のOPAチップ200の光フェーズドアレイ部分の上面図を示す図2Bにおいて見えるように、当該光フェーズドアレイから放射されるビーム212は、当該光フェーズドアレイの幅(及び観測角度)によって決定されるパターンを有するように回折される。よって、各放射体から放射される光216が迅速に拡張しても、全体的なアレイビーム回折218は、ゆっくり拡張する半ガウスビーム(semi-gaussian beam)のように振る舞う。それにもかかわらず、垂直方向(縦方向)においては、この平坦なアレイの振る舞いは、図2Bに示される面内図と比較することができない。
横から見た光フェーズドアレイの断面を示す図3Aにおいて見えるように、導波路モード300が、基板304(例えばシリコン・オン・インシュレータ(SOI)プラットフォームの埋め込み酸化物(BOX)層)の頂部に存在するクラッディング302(例えば二酸化シリコン)の中のコア層(例えばシリコン)に対応する。導波路モード300から放射されたビーム306は、単一の放射体の拡張に応じて、放射体の直線状アレイに垂直な図示平面内で拡張を受けることにより、当該平面内で急速に拡張する。拡張速度はモードサイズに依存する。拡張速度もまた、モード円錐角によって測定される。図示平面の垂直方向(縦方向)におけるビーム拡張は、エンドファイア放射体の有効アパチャサイズに依存する。図3Bには、迅速なビーム拡張312をもたらす小モード断面310が存在する。図3Cには、遅いビーム拡張316をもたらす大モード断面314が存在する。
モード及び関連ビーム拡張の制御は、様々な技術のいずれかによって行うことができる。図4Aは、ビーム402の拡張を制限するべく低屈折率の緩い導波構造物400(例えばポリマー、酸窒化シリコン、窒化シリコン等の層)に光を結合する一例を示し、図4Bは、ビーム412の拡張を防止するべく多数の導波層410に段階的に結合する一例を示す。ビームサイズが増加するにもかかわらずビーム発散を低減する他の方法は、格子放射体を利用することである。図5は、格子放射体のアレイ500の一例を示す。これらの格子放射体は、当該格子放射体の平面から出る方向に出力ビーム502を放射するように構成される。この格子結合器の強度は、放射体の全長及び対応有効アパチャサイズ504が所望のビーム発散角度に適合する方法で調整することができる。
上述した技術により、サブミクロンスケールから数マイクロメートルへと有効アパチャサイズを増加させることができる。それにもかかわらず、ビームの横モードサイズは依然として、(アレイの平面内の)横方向よりも(アレイに直交する)縦方向の方がはるかに高速に拡張する。ビームの過剰な拡張を克服する一つの方法は、所望の平面内のみにコリメートパワーを有する合焦素子を利用することである。
図6において見えるように、OPA600の端面放射体のエッジから出力される光は迅速に拡張し、拡張ビーム602が円柱レンズ604を満たす。レンズ604は、OPA600のエッジに沿って並進対称性を有する。その結果、レンズ604は、当該エッジ沿いの合焦パワーが低くなるが、これは、ビーム602がXZ平面において拡張するのが遅いので適切といえる。縦方向においてビーム602は迅速に拡張しているので、レンズ604は、ビーム602を縦方向においてコリメートするべく選択される焦点長さfを有する。フラウンホーファー距離よりも大きな距離からの観察者は、近距離場のフーリエ変換である電界分布を見る。各方向の遠距離場におけるビーム602の角度範囲は、当該方向のアパチャサイズに依存する。横方向(X)の有効アパチャサイズは光フェーズドアレイのサイズに依存し、縦方向(Y)の有効アパチャサイズは、レンズアパチャのサイズと、OPA600の端面放射体からの拡張ビーム602によって満たされたアパチャのパーセンテージとに依存する。この構成は、一方向(すなわちXZ平面内の「横操舵」)に位相を有する光のみを操舵することができる。第2方向の(X軸まわりの)操舵は、二次的操舵メカニズムによって達成することができる。図7は、かかる二次的操舵メカニズムの一例を示す。この例において、二次的操舵メカニズムは、光を上下方向(X軸まわり又はYZ平面内)に操舵できる液晶、偏光格子、音響光学ビーム操舵器、又は他の高速操舵電気制御メカニズムとして実装され得る分散素子700によって与えられる。
図8を参照すると、いくつかの実装例において、同じ回折/分散素子を、縦方向(YZ平面)における操舵を行いさらには合焦能力も与える合焦操舵素子800として構成し得ることが可能となる。Y方向の任意の位相関数が与えられる場合、合焦操舵素子800の有効位相関数を調整して、光を所望の方向に(例えば、この例ではY方向に)コリメート及び操舵することができる。図9において見えるように、素子900が、拡張ビーム902に作用する調整可能な位相関数を適用してビーム904の(例えば平坦にされて傾斜された)位相フロントを調整するように構成され、YZ平面内の所定方向にビームを向けるべく必要な位相傾斜を有する平面波を生成することができる。これは、例えば、(YZ平面においてのみ)形状が変化するレンズが実装された又は位相がプログラムされた板が実装された素子900によって行うことができる。
図10を参照すると、素子1000が、任意の形状を有するチューニング可能3D円柱レンズとして、拡張ビーム1002に作用する調整可能な位相関数を適用するように構成され得る。例えば、位相関数は、平坦にされた位相フロントをビーム1004に与えるフレネルレンズを実装するべく0~2πの範囲においてラッピングされてよい。素子1000は、ビームの拡張及び方向の双方を同時に変化させ得る調整可能な位相フロントを有するフレネルレンズのような回折/合焦素子としてよい。
図11を参照すると、素子1100の各点における位相関数を制御する方法の一例が、電子制御によって有効屈折率を変化させる微細構造物を与えることによっている。拡張ビーム1102に作用する素子1100は、平坦化されて傾斜された位相フロントをビーム1104に与える。かかる屈折率変化構造物の一例として、位相板上のpn接合ベースの共鳴構造物にキャリアをポンピングすることにより、ビーム1104のコリメート及び操舵を同時に行うことができる2Dパターンの位相をもたらすことができる。図12を参照すると、位相板構造物1200が、異なる箇所で変化する電圧制御の有効屈折率を、入力ビーム1202の受信された位相フロントにわたって適用する2Dアレイの電圧制御の屈折率変化素子を含む。位相板構造物1200は、屈折率変化の効果を高めるべく液晶によってコーティングされてもよい。
図13Aを参照すると、厚い円柱レンズ1300の一例において、関連付けられるレンズ関数が入射角に依存し得る。図13Aにおいて見えるように、YZ平面におけるコリメートのための直交入射に対するレンズの焦点長さがfであり、かつ、光フェーズドアレイ出力が焦点に配置される場合、OPA600の中心からZ軸に沿った角度θに操舵される位相操舵ビームの状況(θ=zにより示される)は、Z軸から外れる角度θに操舵される位相操舵ビームの状況(θ>zにより示される)とは異なる。図13Bを参照すると、(YZ平面に対する)非ゼロ角度θにおいて、レンズの有効焦点長さ(f(θ))はfとは異なり、さらに、拡張ビームがレンズまで進行する距離(d)はfよりも長い。この場合、f(θ)とdとが整合せずにOPAがレンズの有効焦点長さに配置されないことが予測される。これにより、当該距離の標的に到達するまでにコリメートされずに急速に発散するビームがもたらされる。ビーム発散の量は、標的が短距離に存在する場合には許容され得るが、そのようなシステムは、自動車Lidarセンサ又は長距離自由空間光リンクのような長距離アプリケーションに適さないことがある。
図14Aを参照すると、(図13Bに示されていた)非ゼロ角度θでの発散を緩和する一つの方法は、レンズ設計を、角度ビーム拡張問題を補償する複雑な形状に修正することである。例えば、図14Aにおいて見えるように、距離の変化を調整するべくレンズの中心をXZ平面内の曲線上に置くことができる。これによって距離dが焦点長さfに等しいままとなる。代替的に、図14Bを参照すると、有効焦点長さf(θ)によって表されるレンズの強度を、異なる入射角に対して修正することができる。これによって、θ及びdが変化してもf(θ)及びdが実質的に等しいままとなる。例えば、図14Bにおいて見えるように、当該中心におけるレンズの焦点曲率は、角度の関数である有効焦点長さを変化させる2つの端における焦点曲率と比べて異なり得る(例えば小さい)。他の実装例において、強度及び中心点の双方が角度によって変化するレンズにおいて、上述した2つのアプローチを組み合わせることができる。
図15を参照すると、YZ平面内に拡張しているビームに対するコリメートを達成する他の方法は、OPA1502からのビームに対する合焦素子として曲面ミラー1500を利用することである。ミラー1500は、YZ平面に凹曲面プロファイルを有し、X方向に沿った長さにわたって均一である。図16Aにおいて見えるように、OPAチップ1600が凹面ミラー1602の前(すなわち内側)に置かれることによって、放射体が近似的に当該ミラー1602の焦点に配置され得る。OPAチップ1600に適用される相対位相によってビームがX方向に沿って(すなわちY軸まわりのXZ平面内で)操舵され得る一方、ビームが当該チップから出てY方向に(すなわちYZ平面内で)拡張する。ミラーは、焦点長さfを有する放物面状(z=4fy)としてよい。OPAチップ1600から出るビーム部分(光線又は単に「ビーム」とも称する)はすべてがZ方向に沿うようにコリメートされる。この例においては、OPAチップ1600はミラー1602の中心に配置され、ミラー1602の中心に向かって下方を照らすので、後方反射光の一部分がOPAチップ1600によってブロックされ、損失がもたらされる。
OPAチップ1600によるブロックに起因する光損失の一つの解決法は、OPAチップ1600に一定角度でミラー1602を照らさせることである。例えば、図16Bにおいて見えるように、OPAチップ1600の面が焦点に存在したままでOPAチップ1600の配向が、ミラー1602の右側のみが照らされるように変化すれば、光のブロックは生じない。システムから出るコリメートされたビームのサイズは、焦点長さ、OPAチップ1600からのビーム発散、及びOPAチップ1600の配向に依存する。例えば、図16Cを参照すると、OPAチップ1600から出る光円錐の範囲がθ及びθである場合、光フェーズドアレイの配向角度(θ)はθよりも大きくする必要があり、ビームサイズはf、θ、θ、及びθに依存する。
合焦素子として使用される曲面ミラーのサイズは、(ここでは長さとも称するX方向において)操舵されたビームとYZ方向(ミラーの幅)におけるビーム拡張とを収容する程度に十分に大きくする必要がある。一例として、図17A及び図17Bは、の表現を示す。ミラーの幅がその焦点長さの4倍である(W>4f)ビーム拡張(図17Aに示す)の表現と、その長さがその焦点長さの10倍である(L>10f)ビーム拡張(図17Bに示す)の表現とを示す。この例は、操舵角度に加えて両方向において近似的に±60度をカバーする。正確な最小サイズは、ビーム発散と必要な操舵範囲とに依存する。
図18A~図18Cは、OPAにおいて使用され得るエンドファイア導波路からのビーム発散の一例を示す。図18Aは、各方向におけるビームの発散の異なる測定を示す。これは、ピークビーム強度から-10dBよりも下にビーム強度が降下するポイント間のフルビーム角度として定義することができる。図18Aにおいて見えるように、α及びβはそれぞれ、横(X)方向及び縦(Y)方向におけるビームの10dB円錐角である。図18Bを参照すると、導波路の幅(W)及び高さ(H)が全幅部分及び先細り端面部分に対して示される。この例において、導波路は(幅Wが低減されて高さHが同じまま)広い断面から狭い断面まで先細りとされる。導波路の高さが端面における幅よりも小さいままである場合、出力ビームはY方向の方が速く発散する。図18Cに示されるように、小さな導波路高さによって、βがαよりも大きくなることがもたらされる。
図19は、ハーフミラー1902にビームを与えるOPAチップ1900の一例を示す。この例において、指向角度1904はβ/2よりも大きい。これにより、OPAチップ1900によるいずれのビームブロック事象も、強度が-10dB未満に限られる。指向角度1904は、ビームのブロックが小さくなるにつれてさらに増加し得るが、光円錐がハーフミラー1902の右へと動くにつれて右のミラー幅を増加させる必要がある。すなわち、大きなビームサイズとコンパクトなデバイスサイズとの間にはトレードオフが存在する。
図20は、図19のハーフミラー構成に対し、±60°の光円錐を有してOPAチップから出てくる一アレイのビームの光線のトレースを示す。OPAチップは65°まで傾斜される。光線からわかるように、ビームの右半分は、この傾斜ゆえに広がってミラーのかなりの大面積を占める。したがって、ハーフミラーのシステムから出るビームは、当該ビームの右側がY方向に広がって非対称となる。
もう一つの考慮事項は、光フェーズドアレイが光ビームをX(長さ)方向に沿うように操舵するときのビームのコリメート(Y方向の広がり)である。図13A及び図13Bに示されていたように、ビームをY方向にコリメートするべく通常の円柱レンズが利用される場合、X沿いの操舵により出射ビームは焦点がぼけて発散するようになる。放物面ミラーによりX方向に沿うように操舵されてコリメートされるビームが、かかる収差(焦点ぼけ)の問題を受けることがないことを図示することができる。
図21は、入射平面波を合焦する円筒ミラーの一例を示す。可能な焦点ぼけの問題は、真下に入射する平面波の焦点距離(f1)と、ミラーの長さに沿うように、この例ではYに沿うように、傾斜される焦点距離(f2)とを比較することによって調査することができる。図21においてポイントAに当たる平面波に対し、関連付けられる波数ベクトルkが図22に示される。波数ベクトルの関連成分は以下のように関連付けられる。
Figure 2023547768000002
そして、例えば、理論に縛られるわけではなく、波動方程式から分散関係が得られる。
Figure 2023547768000003
したがって、以下の条件が成り立つ。
Figure 2023547768000004
そして、角度が以下のように関連付けられる。
Figure 2023547768000005
したがって、x軸に沿った焦点位置は、入力角度
Figure 2023547768000006
のx成分の関数にすぎず、y軸入力角度
Figure 2023547768000007
の関数とはならない。
以下は、円柱レンズの例に対する波数ベクトル成分関係の例である。
Figure 2023547768000008
したがって、x軸に対する屈折角は、y軸に対する入射角の関数となる。それゆえ、x軸沿いの焦点位置は、入射角
Figure 2023547768000009
のy成分による影響を受ける。それゆえ、円柱レンズは、合焦ビームに収差を導入することとなる。
図23において見えるように、ビームがz軸に沿ってまっすぐ下に照らされると、当該ビームは、当該ミラーの中心に放物線の焦点に合焦する。図24に示されるように、ビームがX軸に対して傾斜すると、ビームの焦点は、焦点面曲線2400においてX方向及びZ方向の双方に動く。
この特性は、システムの出力ビームがXZ平面内で回転(Y軸まわりに回転)される場合に利用することができる。例えば、図25に示されるように、OPAチップ2500が焦点の軌跡に沿って図示の3つの異なる位置まで動く場合、コリメートされた出力ビームは、図示の3つの異なる出力角度それぞれに沿ってXZ平面内で回転する。
この特性は、大きな角度範囲をカバーするべく使用することができる。例えば、異なるそれぞれの中心ビーム角度まわりの角度カバー率のこのような変化は、ミラー2602に沿ったペデスタル2600の階段構造物上に並べて積み重ねられたいくつかのOPAチップに対する図26Aにおいて見ることができる。OPAチップ間の差異のみが、Z方向の焦点距離に近くにおいて、当該OPAチップの出力導波路及び放射体のYZ平面内の位置となる。各OPAチップは、Y軸に沿って配列された直線状アレイの放射体素子を含む。各直線状アレイの放射体素子は、他の直線状アレイに対してY軸に沿ってずらされる(例えば、この例においてOPAチップは、Y軸沿いに重ならないように並べられている)。各直線状アレイの放射体素子はまた、他の直線状アレイに対してZ軸に沿ってもずらされる。これらの直線状アレイは、X軸に沿っては実質的に同じ位置に存在する。
この特性によって、ビームの静的中心がXZ平面における一定角度範囲をカバーする一セットのビームが許容される。それにもかかわらず、図26Aに示されるそのような構成において位相制御を与えられるのは、Y軸に沿った(XY平面における)操舵のみである。図26Bを参照すると、レンズベースのシステムに対して図7に提示した例と同様の、XZ平面における操舵能力を加えるように、ミラー2602の前に回折/分散板2604を加えることによって、波長の変化に応じてビームをX方向に(すなわちXZ平面内で)操舵することができる。このシステムの断面図が図27に示される。OPA2700のY方向に沿った(紙面の中への/紙面から外への)操舵は、OPA2700における位相シフタによって適用される位相を使用して行われ、横操舵は、ミラー2704から反射された後の二次的操舵素子2702(例えば回折/分散板)を使用することによって行われる。
ここに説明される2次元操舵能力は、LiDARセンサシステムに対して使用することができる。例えば、図28を参照すると、2つのミラーベースOPAシステムを並べて配置することができる。これらのシステムは双方ともが、OPA位相制御と、二次的操舵素子として使用される回折/分散板との双方を使用して、同じ方向の操舵を行う。この例において、Txフェーズドアレイシステム2800は出射ビームの光エネルギーの送信器として動作し、Rxフェーズドアレイシステム2802は、収集ビームにおける後方散乱光を収集する。例えばFMCW(周波数連続変調)スキーム又は飛行時間検出スキームを使用して、(ドップラーシフト検出により)物体2804及びその速度を測定することができる。
図29において見えるように、LiDARセンサシステムはまた、少なくとも一つの送信器(Tx)ユニット2900と多数の受信器(Rx)ユニット2902とを含むように構成されてよい。これらは、LiDARセンサシステムの光収集能力及び範囲を増加させるべく利用することができる。
代替的に、図30Aにおいて見えるように、さらにコンパクトなシステムを目的として、一つの凹面コリメートミラー3000を、いくつかのTxOPAチップ及びRxOPAチップ3002の配列体とともに利用してよい。OPAチップ3002は、この例においてX方向に沿って積み重ねられ、すべてのOPAチップ3002に対してY操舵を行うべく一つのみの回折光学素子3004が使用される。またも可能なことだが、例えばWDM又はサーキュレータコンポーネントが利用される場合、同じOPAチップを、送信及び受信の双方を行うように構成してよい。代替的に、図30Bは、ペア3006のTXOPAチップ及びRXOPAチップを、同じミラー3000の前に並んで配列されるように配置することによって各ターミナルのミラー及び回折光学系が簡略化され得る一例を示す。
図31は、2つのOPAベースTx/Rx送受信器システムを示す。これらのシステムは、自由空間光ビームによってWDM高データレート通信システムを実装するべく使用することができる光リンクの各端にローカルターミナル3100及び遠隔ターミナル3102を含む。
回折/分散素子又は他の二次的操舵素子を使用する二次的操舵は、様々な異なる態様で行うことができる。例えば、いくつかの二次的操舵技術が光の偏光状態に依存する。図32Aを参照すると、OPAチップ3200からの光の偏光状態が横電場(TE)状(Eを電場のx方向成分とすればE支配的)である場合、凹面ミラー3202に当たる光はS偏光(E)となり、回折素子3204(又は他形態の分散素子のような他の二次的操舵素子)に当たる光に対しても同じことが当てはまる。回折素子3204によるYZ平面内の光操舵の効率に応じて、光の偏光は、OPAチップ3200において(例えば横磁場(TM)状偏光に変換することによって)、又は回折素子の前/後において、のいずれかで回転させることができる。図32Bは、偏光回転器3206が凹面ミラー3202と回折素子3204との間に配置される一例を示す。代替的に、回折素子3204(又は他形態の分散素子)を、偏光不感となるように設計してよい。
二次的操舵を目的として使用される回折/分散素子に対する最適な偏光を決定した後、二次的操舵メカニズムの選択肢を決定するべく、操舵範囲、速度、必要とされる連続対離散操舵、及び/又は挿入損失を使用することができる。相対的に簡単な回折/分散素子と潜在的に複雑なレーザ及びフォトニクスチップとを使用する操舵の一つの方法は、二次的操舵メカニズムを実装するために波長変化を利用する。例えば、図32Cは、OPAチップ3200に光を与えるチューニング可能レーザ3208を含む。チューニング可能レーザ3208が与える光の波長は、所定の波長範囲(例えば1400~1600(nm))にわたってチューニングすることができる。波長の変化により、反射回折素子3210の後に分散ベースのビーム操舵がもたらされる。例えば、反射回折素子3210は格子としてよい。図33Aは、入射光3300のビームが格子3302から反射され、回折されたビームの方向が波長依存となる一例を示す。この効果を高めるべく、図33Bに示されるように、追加の格子3304を含む多数の格子を利用することも可能である。LIDARを目的として使用される場合、不要な反射/スプリアス反射(例えば使われない回折次数)が戻ってLIDARシステムの中へと伝搬するのを防止するべく、不要な回折次数をバッフル又は他形態の光学機械アセンブリによってブロックしてよい。
一代替例として、波長チューニングの代わりに、又は波長チューニングとともに、電気光学、液晶又はメタ表面回折を備えるチューニング可能格子構造物を使用することもできる。
分散素子は、当該分散素子の角度分散に基づいて操舵を与えることができる。例えば、ビーム操舵装置が、第1次元における操舵を行う位相シフタを有する位相シフタ光フェーズドアレイを含み得る。位相シフタは、コリメートされたビームをもたらす合焦素子に入射する光を与える。コリメートされたビームは、一以上の後続ビーム操舵素子に与えられる。一以上の後続ビーム操舵素子は、位相シフタの次元に加えて第2次元における二次的操舵を与える。一つ以上のビーム操舵素子は、入力光の波長に基づいて操舵を行う分散素子としてよい。光フェーズドアレイに結合されるチューニング可能なレーザ源がΔλ(nm)の光帯域幅を有する場合、∂θ/∂λの角度分散値を有する分散素子が、波長ベースの操舵を達成するべく波長変化の関数としてΔθ=(∂θ/∂λ)×Δλ(度)の角度変化を与えることができる。
分散素子は、例えば、格子のような回折素子、プリズムのような屈折素子、これら双方の組み合わせ、又は何らかの他の分散素子としてよい。いくつかの実装例において、システムの角度分散を増加させるべく光学ウェッジも使用してよい。
図34、図35A~図35C、及び図36は、操舵素子として使用される屈折素子の例を示す。
図34は、波長ベースの操舵を与えるべく使用されるプリズム/ウェッジ屈折素子3402に与えられるコリメートされた入力ビーム3400の3D斜視図を示す。入力ビーム3400は、例えば、光フェーズドアレイ及び円筒ミラーの後に入来するビームを使用することによって、ここに記載される様々な実装例においてのようにコリメートされ得る。この例において、屈折角は波長依存であるから、入力ビーム3400が3つの異なるそれぞれの波長にチューニングされていれば、入力ビーム3400は3つの異なる角度に分散される。
図35Aは、図34に示される例と同様に、波長ベースの操舵を与えるべく使用されるプリズム/ウェッジ屈折素子3502に与えられるコリメートされた入力ビーム3500の2D側面図を示す。ここで、この側面図の平面における操舵を与えるべく波長チューニングが使用される。
図35Bは、波長チューニングが操舵を目的に使用されるときに、コリメートされた入力ビーム3500が、プリズム/ウェッジ3502と、波長ベースの視野をさらに増加させるべく使用される後続プリズム/ウェッジ3504とを使用して分散される2D側面図を示す。
図35Cは、コリメートされた入力ビーム3500が、角度分散をさらに増加させるべくプリズム/ウェッジ屈折素子3508が後続する(透過の場合に使用される)回折格子3506を使用して分散される2D側面図を示す。回折格子3506は、反射の代わりに透過される場合を除き、例えば図33Aに示されるように高効率の回折ビームを生成して特定の回折次数にする。しかしながら、一定量の光が依然として、他の不要な回折次数に向けられ得る。LIDARを目的として使用される場合、これらの不要な回折次数からの光は、いくつかの遠隔標的まで伝搬し、反射されて当該LIDARシステムの中に戻り、測定のために使用される特定の回折次数からの動作可能な戻り信号を圧倒し得る。これは、光バッフル又は光学機械アセンブリを使用して当該不要な回折次数をブロックすることによって緩和され得る。
図36は、円筒ミラー3602が後続するOPAチップ3600を含む例示的なシステムを示す。円筒ミラー3602の後には曲面回折素子3604(例えば透過の場合に使用される回折格子)が後続する。
これらの例に対し、様々な代替例を使用することができる。図34(3D図)及び図35A(同じ構成に対する2D図)の例を再び参照すると、プリズム/ウェッジ3402及び3502を、2D図に直交する次元において(すなわち紙面から外へのx方向において)十分に長くする必要がある。これにより、フル水平(位相ベース)角度視野を目的として、位相ベースの操舵メカニズムを使用する操舵により、上流の光フェーズドアレイ及び/又はコリメータ素子から入来する光を捕捉することができる。付加的に、角度分散をさらに増加させるべく、図35Bの例に示されるように(この例において2つのプリズムを備える)、任意数のプリズムをカスケード接続してよい。所定の操舵角度範囲に対し、2個プリズムのシステムの分散は、1個プリズムの分散の2倍となり、これはさらに、プリズムの数に対応し得る。プリズムは、角度分散を最大限にするように設計し得る。回折格子も同様に、分散素子として使用し得る。プリズム/ウェッジの頂角と同様に屈折率によっても、角度分散の量が制御される。回折格子は、透過又は反射の場合に使用され得る。回折効率、角度分散、偏光に対する不感度、及び全体的なサイズの適切なバランスを有する構成が選択され得る。システムの角度分散を増加させるべく、ひいては当該次元における角度FOVを増加させるべく、多数の回折格子を次々に積み重ねてもよい。図35Cは、光学プリズム/ウェッジ3508が透過回折格子3506に後続する一例を示す。透過回折格子3506がシステムに対して初期波長ベースのFOVを与える一方、光学プリズム/ウェッジ3508はビーム発散をなおもさらに増加させる。発散するビームが光学プリズム/ウェッジに入射する場合、当該ビームの角度発散はさらに増加し得る。
透過回折格子が、位相シフタが与える水平視野を通過させて高回折効率を維持するべく、当該透過回折格子への入射角を、法線方向入射角となるように構成してよい。これは、曲面回折素子(例えば回折格子)を有することによって達成し得る。かかる構成の一例が図36に示される。これにより当該構成は、回折素子への、さもなくば大きくなり得る入射角(位相シフタベースの操舵)を緩和することができる。
本開示が所定の実施形態に関連して記載されてきたが、本開示は、開示された実施形態に限定されることがないと理解すべきであり、逆に、添付の特許請求の範囲内に含まれる様々な修正例及び同等の配列をカバーすることが意図されており、その範囲には、法律に基づいて許容されるすべての修正例及び同等の構造を包含するように最も広い解釈が与えられるべきである。

Claims (40)

  1. 装置であって、
    光フェーズドアレイを含むフォトニック集積回路と、
    前記光フェーズドアレイに対する固定位置にある合焦素子であって、前記光フェーズドアレイから光ビームを受信するように構成される合焦素子と、
    前記合焦素子に対する固定位置にある操舵素子であって、前記合焦素子から受信した前記光ビームを送信するように構成される操舵素子と
    を含み、
    前記合焦素子又は前記操舵素子の少なくとも一方が、前記フォトニック集積回路に外部結合される、装置。
  2. 前記操舵素子は分散素子を含む、請求項1の装置。
  3. 前記分散素子は回折素子を含む、請求項2の装置。
  4. 前記分散素子は屈折素子を含む、請求項2の装置。
  5. 前記屈折素子はプリズムを含む、請求項4の装置。
  6. 前記合焦素子はレンズを含む、請求項1の装置。
  7. 前記合焦素子は反射面を含む、請求項1の装置。
  8. 前記フォトニック集積回路、前記合焦素子及び前記操舵素子は、LiDARシステムの少なくとも一部分に含まれる、請求項1の装置。
  9. 前記フォトニック集積回路、前記合焦素子及び前記操舵素子は、通信システムの自由空間光リンクの少なくとも一部分に含まれる、請求項1の装置。
  10. 装置であって、
    光フェーズドアレイと、
    前記光フェーズドアレイに対する固定位置にある反射面であって、前記光フェーズドアレイから受信した光ビームをリダイレクトさせるべく構成される反射面と、
    前記反射面に対する固定位置にある操舵素子であって、前記反射面からリダイレクトされた前記光ビームを送信するように構成される操舵素子と
    を含む、装置。
  11. 前記反射面は、少なくとも第1平面において前記光ビームを実質的にコリメートする形状にされる、請求項10の装置。
  12. 前記光フェーズドアレイの複数のアンテナ素子に光波を与えるべく構成される光源をさらに含む、請求項11の装置。
  13. 前記複数のアンテナ素子間の相対的な位相シフトによって、前記第1平面に垂直な第2平面において前記光フェーズドアレイから放射される前記光ビームが操舵される、請求項12の装置。
  14. 前記操舵素子は回折素子を含み、
    前記光源は前記光フェーズドアレイの前記複数のアンテナ素子に与えられる前記光波の波長をチューニングするように構成されるチューニング可能光源を含み、
    前記チューニングされた波長によって、前記回折素子から放射された光ビームが前記第1平面において操舵される、請求項13の装置。
  15. 前記操舵素子は、前記第1平面において前記ビームを電子的に操作するべくチューニングされるように構成される回折素子を含む、請求項13の装置。
  16. 前記光フェーズドアレイ、前記反射面及び前記操舵素子は、LiDARシステムの少なくとも一部分に含まれる、請求項10の装置。
  17. 前記光フェーズドアレイ、前記反射面及び前記操舵素子は、通信システムの自由空間光リンクの少なくとも一部分に含まれる、請求項10の装置。
  18. 装置であって、
    光フェーズドアレイと、
    前記光フェーズドアレイに対する固定位置にあるレンズであって、前記光フェーズドアレイから光ビームを受信するように構成されるレンズと、
    前記レンズに対する固定位置にある操舵素子であって、前記レンズから受信した前記光ビームを送信するように構成される操舵素子と
    を含む、装置。
  19. 前記レンズは、少なくとも第1平面において前記光ビームを実質的にコリメートする形状にされる、請求項18の装置。
  20. 前記光フェーズドアレイの複数のアンテナ素子に光波を与えるべく構成される光源をさらに含む、請求項19の装置。
  21. 前記複数のアンテナ素子間の相対的な位相シフトによって、前記第1平面に垂直な第2平面において前記光フェーズドアレイから放射される前記光ビームが操舵される、請求項20の装置。
  22. 前記操舵素子は回折素子を含み、
    前記光源は前記光フェーズドアレイの前記複数のアンテナ素子に与えられる前記光波の波長をチューニングするように構成されるチューニング可能光源を含み、
    前記チューニングされた波長によって、前記回折素子から放射された光ビームが前記第1平面において操舵される、請求項21の装置。
  23. 前記操舵素子は、前記第1平面において前記ビームを電子的に操作するべくチューニングされるように構成される回折素子を含む、請求項21の装置。
  24. 前記光フェーズドアレイは、フォトニック集積回路に形成されるそれぞれの光導波路に結合される複数のアンテナ素子を含む、請求項18の装置。
  25. 前記光フェーズドアレイ、前記レンズ及び前記操舵素子は、LiDARシステムの少なくとも一部分に含まれる、請求項18の装置。
  26. 前記光フェーズドアレイ、前記レンズ及び前記操舵素子は、通信システムの自由空間光リンクの少なくとも一部分に含まれる、請求項18の装置。
  27. 装置であって、
    複数の光フェーズドアレイと、
    前記複数の光フェーズドアレイに対する固定位置にある一の合焦素子であって、前記複数の光フェーズドアレイから光ビームを受信するように構成される一の合焦素子と、
    前記一の合焦素子は、少なくとも第1平面において前記光ビームを実質的にコリメートするように配置及び構成される、装置。
  28. 前記複数の光フェーズドアレイ及び前記一の合焦素子が、LiDARシステムの少なくとも一部分に含まれる、請求項27の装置。
  29. 前記複数の光フェーズドアレイ及び前記一の合焦素子が、通信システムの自由空間光リンクの少なくとも一部分に含まれる、請求項27の装置。
  30. 前記複数の光フェーズドアレイは、それぞれのペデスタルに配列され、
    各光フェーズドアレイが第1軸に沿った直線状アレイの放射体素子を含み、それぞれの直線状アレイの放射体素子が、前記第1軸に沿って他の直線状アレイに対してオフセットされ、かつ、前記第1軸に垂直な第2軸に沿って前記他の直線状アレイに対してオフセットされる、請求項27の装置。
  31. 装置であって、
    光フェーズドアレイと,
    前記光フェーズドアレイに対する固定位置にある合焦操舵素子であって、前記フェーズドアレイから光ビームを受信するように構成される合焦操舵素子と
    を含み、
    前記合焦操舵素子は、少なくとも第1平面において前記光ビームを実質的にコリメートすることと、前記第1平面において前記光ビームを操舵することとを行うように構成される、装置。
  32. 前記合焦操舵素子は合焦回折素子を含む、請求項31の装置。
  33. 前記光フェーズドアレイ及び前記合焦操舵素子が、LiDARシステムの少なくとも一部分に含まれる、請求項31の装置。
  34. 前記光フェーズドアレイ及び前記合焦操舵素子が、通信システムの自由空間光リンクの少なくとも一部分に含まれる、請求項31の装置。
  35. 装置であって、
    光フェーズドアレイと,
    前記光フェーズドアレイに対する固定位置にある反射合焦素子であって、前記光フェーズドアレイから光ビームを受信して前記光ビームを送信するように構成される反射合焦素子と
    を含む、装置。
  36. 前記反射合焦素子は反射面を含む、請求項35の装置。
  37. 前記反射合焦素子に対する固定位置にある回折素子であって、前記反射面からリダイレクトされた前記光ビームを送信するように構成される回折素子をさらに含む、請求項36の装置。
  38. 前記回折素子は曲線状回折素子を含み、
    前記曲線状回折素子は、前記曲線状回折素子を通して前記光ビームを送信する、請求項37の装置。
  39. 前記光フェーズドアレイ及び前記反射合焦素子が、LiDARシステムの少なくとも一部分に含まれる、請求項35の装置。
  40. 前記光フェーズドアレイ及び前記反射合焦素子が、通信システムの自由空間光リンクの少なくとも一部分に含まれる、請求項35の装置。
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