JP2024508815A - フレアのレーザ源を含むフェーズドアレイアンテナを有する光電子エミッタ - Google Patents

Abstract

本発明は、フレアのレーザ源（１２）を含むレーザチップ（１０）と、Ｎ個のアーム（２３）内地配置された位相器（２４）及び基本送信器（２５）を含む光チップ（２０）とを備えるフェーズドアレイ光電子エミッタ（１）に関する。光チップ（２０）は、フレアのレーザ源（１２）とアーム（２３）の間の光結合を保証するカプラ（３０）を備える。カプラ（３０）は、フレアのレーザ源（１２）の放射面（１６）に面して位置する収集入力（３１）と、光電子エミッタのＮ個のアームに結合され、それらの縦軸が位置ｚ_ｌで交差するように配向されたＮ個の直線導波路（３４、３５）を含む送信出力（３２）とを有する。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明の技術分野は、オンチップフォトニック回路の分野であり、より正確には、少なくとも１つの光チップ（フォトニックチップ）上で製造されるフェーズドアレイ光電子エミッタの分野である。本発明は、ＬＩＤＡＲ（光検出及び測距のためのＬＩＤＡＲ）の分野に特に適用可能である。

ＯＰＡ技術（ＯＰＡは、光フェーズドアレイを意味する頭字語）を採用した光電子エミッタは、単色光を自由空間に指向的に放射することができる光電子デバイスである。それらは、レーザベースの光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）の分野に特に適用可能であるが、自由空間光通信、ホログラフィックスクリーン、及び医用画像の分野にも適用可能である。

図１Ａは、そのような光電子エミッタ１の動作原理を模式的に示す。レーザ源３は、光電子エミッタ１のＮ個のアーム５の出力分配器４で分配された光信号を放射する。各アーム５は、１つの位相器６と、光アンテナとも呼ばれる１つの基本送信器７とを含む。各基本送信器７は、例えば、回折を介して光信号を自由空間に送信する。そして、光信号は、干渉を介して結合して光ビームを形成する。後者は、アームを介して伝搬する光信号に位相器により印加される相対位相Δφにより特に決定される遠距離場送信パターンを有する。

そのような光電子エミッタは、集積フォトニクスを用いて製造することができ、すなわち、それらの種々の光学部品（導波路、出力分配器、基本送信器等）は、同一の光チップ上に、及び同一の光チップから製造される。

この点に関して、図１Ｂは、ヒューム他による論文「Fully integrated hybrid silicon two dimensional beam scanner」オプション、エクスプレス２３（５）、５８６１－５８７４（２０１５）に記載されたように、そのような光電子エミッタ１の一例を概略的かつ部分的に示す。この光電子エミッタ１は、ここではＩＩＩ－Ｖ型のレーザ源３を備え、同一の光チップ上で製造される。したがって、それは、半導体レーザ源３と、出力分配器４と、位相器６と、基本送信器７とを備える。本例では、レーザ源３は、ＩＩＩ－Ｖ材料を（ＳＯＩ型の）光チップに転写し、その材料を構造化して利得媒体を形成することにより製造される。

しかしながら、高出力レーザ源を備えるような光電子エミッタを提供する必要がある。具体的には、特に、距離推定（ＬＩＤＡＲアプリケーション）においては、シーンによって後方散乱された信号の光パワーは、放射した光信号の光パワーのわずかな部分である。そして、遠くの物体を検出するために、高出力レーザ源を使用する必要があるかもしれない。しかしながら、レーザ源の光キャビティの小さな寸法の導波路中に高い光パワー光ビームを発生させると、利得飽和又は利得媒体の劣化にさえつながる。さらに、非常に広い光キャビティを有するレーザ源を使用すると、高出力の光ビームを発生させることができるが、光キャビティ中の導波路はもはや単一モードではないので、発生したビームは中途半端な品質になるだろう。

さらに、米国特許公開第２０１８／０２１７４７２号と、グオ他の「InP Photonic Integrated Circuit with on-chip Tunable Laser Source for 2D Optical Beam Steering」光ファイバ通信会議／全国光ファイバ技術者会議、２０１３年、ＯＳＡ技術ダイジェスト（オンライン）（アメリカ光学協会、２０１３年）のペーパＯＴｈ３Ｉ．７とは、光チップに結合されたレーザチップを備える光電子エミッタの例を記述する。

米国特許公開第２０１８／０２１７４７２号明細書

本発明の目的は、先行技術の少なくともいくつかの欠点を改善することであり、より具体的には、良好な品質の高出力光信号を放射することができるレーザ源を備え、その後、該レーザ源が基本送信器のアレイに効率的に光学的に結合されるオンチップフェーズドアレイ光電子エミッタを提供することである。

これを行うために、本発明の主題は、光チップを備えるフェーズドアレイ光電子エミッタである。該光チップは、光電子エミッタのＮ個（Ｎ＞１）の導波路形成アームと、アーム内に位置する複数の位相器及び複数の基本送信器とを備える。

本発明によれば、光電子エミッタは、光チップとは異なるレーザチップを備える。レーザチップは、同一平面上で後者に接合され、フレアのレーザ源を含む。フレアのレーザ源は、直線単一モードセクションと、主面内で外方向に（フレアに）広がっており、光軸Δに沿って延伸し、光信号を放射する面で終わるセクションとからなる。さらに、フレアのレーザ源は、その波面が主面内で円形であり、光軸Δ上でフレアのセクションに位置する位置ｚ_ｌを中心とする光信号を放射するように構成される。

さらに、本発明によれば、光チップは、放射した光信号の少なくとも一部分を収集して送信するためのフレアのレーザ源との光結合を保証するカプラを備える。カプラは、フレアのレーザ源の放射面に面して位置する収集入力と、光電子エミッタのＮ個のアームに結合され、それらの縦軸が位置ｚ_ｌで交差するように配向されたＮ個の直線導波路を含む送信出力とを含む。

以下は、この光電子エミッタの特定の好ましいが限定されない態様である。

Ｎ個の直線導波路の各々は、収集入力に向けられた上流端及び反対の下流端を有してもよい。下流端は、カプラの送信出力を規定してもよく、半径の中心が位置ｚ_ｌに位置する円弧内に横方向に配置されてもよい。

カプラは、収集入力を形成し、フレアのレーザ源の放射面に結合される入口面と、円弧の半径の中心が位置ｚ_ｌに位置する円弧状である出口面とを有する均一の屈折率の媒体からなる自由伝播領域を備えるスターカプラであってもよい。直線導波路は、それぞれが一方で出口面に接続され、他方でＮ個のアームに接続され、直線的で位置ｚ_ｌの方向に縦方向に配向された出力導波路である。これら出力導波路の下流端は、円弧の半径の中心が位置ｚ_ｌに位置する円弧状の送信出力を形成する線に沿って横方向に配置される。

出力導波路は、テーパ導波路であってもよく、自由伝播領域の出口面から減少する幅を有すればよい。

直線導波路は、位置ｚ_ｌの方向に縦方向に配向されるとともに、それらの上流端が収集入力を形成する線に沿って位置し、それらの下流端が送信出力を形成する線に沿って位置するように、横方向に配置された直線的なテーパ導波路であればよい。収集入力及び送信出力は、円弧の半径の中心が位置ｚ_ｌに位置する円弧状である。

光チップは、光軸Δに沿ってレーザチップから１μｍ以下の値だけ離間されてもよい。それらは、接着層により、互いに接合されればよい。

アームは、直線的で互いに平行であり、種々の長さの接続セグメントにより、送信出力に接続されればよい。

光チップは、ＳＯＩ基板からなればよい。

本発明の他の態様、目的、利点及び特徴は、本発明の好ましい実施の形態の以下の詳細な説明を読むことにより、より明確に明らかになるであろう。この詳細な説明は、非限定的な例として、添付図面を参照してなされる。
既に説明した、先行技術の一例にかかる光電子エミッタの概略的な部分図である。 既に説明した、先行技術の一例にかかる、同一の光チップ上で製造された光電子エミッタの概略的な部分上面図である。 カプラがスターカプラである一実施の形態にかかる光電子エミッタの概略的な部分上面図である。 図２Ａの光電子エミッタのレーザチップ及びカプラをより詳細に示す上面図である。 図２Ａの光電子エミッタの光チップをより詳細に示す上面図である。 カプラがテーパ導波路から形成される一実施の形態の変形例にかかる光電子エミッタの概略的な部分上面図である。 同じレーザ及び光チップ上で製造された複数の光電子エミッタを備える構造の概略的な部分上面図である。

図面及び明細書の残りの部分では、同一又は類似の要素を指定するために同一の参照符号を用いている。さらに、図面の明確性のために、種々の要素のスケールは示していない。さらに、種々の実施の形態及び変形例は、相互に排他的ではなく、互いに組み合わせてもよい。別段の指定のない限り、用語「実質的に」、「約」、及び「オーダーの」は、１０％以内、好ましくは５％以内を意味する。さらに、別段の指定のない限り、用語「～と～の間で構成される」とその等価物は、限度を含むことを意味する。

本発明は、フレアのレーザ源を備えるフェーズドアレイ光電子エミッタに関する。そのような光電子エミッタは、すべての位相器及び基本送信器を製造する光チップ（フォトニックチップ）と、光チップとは異なるレーザチップとを備える。レーザチップは、光チップに同一平面上で接合され、その上に、フレアのレーザ源が製造される。

光電子エミッタは、遠距離場において主放射軸の周りに決定された角度分布を有する強度の光ビームを放射するように設計される。光電子エミッタにより放射される光ビームのこの遠距離場角度分布は、「遠距離場放射パターン」と呼ばれる。したがって、それは、基本送信器（光アンテナ）の近接場放射パターンとは異なる。遠距離場（又はフラウンホーファーゾーン）は、放射波長λ_ｅに対する基本送信器の大きな寸法（ここでは、Ｚ軸に沿った長さＬ_ｅｅ）の二乗の比より大きい距離Ｄ、言い換えれば、Ｄ＞２Ｌ_ｅｅ ^２／λ_ｅに対応する。

さらに、フレアのレーザ源は、ウェンツェル他による論文「High-brightness diode lasers」（C.R. Physique 4 (2003), 649-661）に特に記載されるタイプであってもよい。それは、レーザ源の放射面で終わるフレアのセクションに続く直線単一モードセクションから形成される活性導波路を備える（光キャビティ内に位置する）。直線単一モードセクションは、空間フィルタを形成し、光信号を強制的に横単一モードにするように、小さな横方向寸法のリッジ部であってもよい。フレアのセクションは、光信号の増幅を保証してもよい。そして、フレアのレーザ源の放射面は、１ミクロンから数百ミクロンのオーダーの幅を有してもよい。したがって、そのようなフレアのレーザ源は、例えば、数ワットのオーダーの高出力の光信号を放射してもよい。

本発明によれば、光チップは、フレアのレーザ源と、位相器及び基本送信器を含むＮ個のアームとの間の光結合の機能、並びに、出力分割の機能を果たすカプラを備える。

図２Ａは、一実施の形態にかかる光電子エミッタ１の概略的な部分上面図である。ここでは、レーザチップ１０は、同一平面上で光チップ２０に光結合される。

ここで、ＸＺ面がレーザチップ１０及び光チップ２０の主面に平行であり、長手方向Ｚ軸がフレアのレーザ源１２の光軸Δに沿って配向される直接直交座標系ＸＹＺが定義され、明細書の残り部分で参照される。Ｘ軸を水平軸、Ｙ軸を垂直軸と呼ぶ。用語「上流」及び「下流」は、光信号の伝播方向、ここでは、＋Ｚ方向の距離が長くなる位置を指す。

レーザチップ１０は、光チップ２０とは異なり、フレアのレーザ源１２を備える。後者は、例えば、約９０５ｎｍ又は１５５０ｎｍに等しい波長λ_ｅのパルス又は連続波単色光信号を放射するように設計される。光キャビティ内に位置する活性導波路１３は、光軸Δに沿って、放射面１６で終わるフレアのセクション１５に続く直線単一モードセクション１４を備えるという意味で、フレアという。このように、放射される光信号の強度のＸＹ平面内の空間分布は、楕円であり、「平坦化」されており、近接場では、垂直Ｙ軸に沿って、例えば１ミクロンのオーダーの小さな寸法を有し、水平Ｘ軸に沿って、例えば約１００ミクロンのオーダーの大きな寸法を有し、アスペクト比（大寸法対小寸法）は、５０から１００のオーダー、又はそれ以上である。フレアのレーザ源１２は、デルフィーン他による論文「How to Launch 1 W Into Single-Mode Fiber from a Single 1.48μm Flared Resonator」量子エレクトロニクスの選択されたトピックに関するＩＥＥＥジャーナル第７巻第２（２００１年）１１１－１２３に記載されたものと同一又は同様の方法で製造されればよい。

それは、キャリア基板１１を含み、その上に、ＸＺ平面内に存在する複数の量子井戸を含む活性層（図示せず）が載置される。活性層は、垂直Ｙ軸に沿って、閉じ込め層によって隣接され得る。構造化された上層が活性層を覆い、活性導波路と呼ばれる導波路が形成され、光軸Δに沿って延びる。

この活性導波路１３は、局在エッチングによりＸＺ面で横方向に画定された直線単一モードリッジ部１４を含む。この直線単一モードセクション１４は、単一ガイド横光学モード、例えば基本横モードが発光波長λ_ｅで支持されるような横方向寸法を有する。さらに、直線単一モードセクション１４は、フレアのセクション１５で潜在的に励起される高次の横モードが直線単一モードセクション１４でガイドされない限り、モーダルフィルタリング機能を実行する。

また、それは、局所ドーピングによって上層のＸＺ面に規定されたフレアのセクション１５を含む。そして、光学モードは増幅利得を介してそこに導かれる。セクション１５は、ＸＺ面において、直線単一モードセクション１４からの距離に比例してここで増加する幅を有する限り、フレアされていると言われる。それは、光軸Δに対して数度のオーダーの傾斜角度を有することができ、例えば、約４°から６°の間で構成される。フレアのセクション１５は、光軸Δに対して直交するフレアのレーザ源１２の放射面１６を画定する。そして、放射面１６は、ここでは水平Ｘ軸に沿って、一から数百ミクロンのオーダーの幅ｗ_ｌを有する。

水平ウェスト（すなわち、ＸＺ平面のウエスト）の平面が垂直ウェスト（すなわちＹＺ平面のウエスト）の平面とは異なる位置に位置するという意味で、フレアのレーザ源１２は本質的に非点性であることに留意されたい。周知のように、レーザ源のウェストの平面は、問題となる（水平又は垂直）波面が平面（曲率半径無限大）である位置に位置する。Ｄｅｌｅｐｉｎｅ他の論文２００１に顕著に示されているように、水平ウェストの平面は活性導波路１３内、より正確にはフレアのセクション１５内に位置し、放射面１６から光軸Δに沿ってゼロ以外の値δｌだけ離れた位置ｚｌに位置するが、垂直ウェストの平面は放射面１６上に位置する（δｌ＝０）。距離δｌ（したがって位置ｚｌ）は、波面分析器を用いて決定することができる。

このように、放射された光信号は、ＸＺ面、すなわちレーザチップ１０の主面及び光チップ２０の主面において、その中心が位置ｚ_ｌに位置する円形の波面を有する。すなわち、ＸＺ面においては、フレアのレーザ源１２が放射する光信号は、位置ｚ_ｌから放射されているように見える。

光チップ２０は、光電子エミッタ１のＮ個のアーム２３を備え、このアーム内に位相器２４と基本送信器２５が配置されている。レーザチップ１０とは、これら二つのチップがそれぞれのキャリア基板１１、２１を有している点で異なる。これは、一方では、レーザチップ１０への光結合を保証し、他方では、受信された光信号のパワーをＮ個のアーム２３間で分割する統合カプラ３０（光チップ２０上で生成される）をさらに含む。

光チップ２０又はフォトニック集積回路（ＰＩＣ）は、キャリア基板２１を備え、キャリア基板２１から、互いに光結合された能動フォトニック成分（モジュレータ、ダイオード等）及び受動フォトニック成分（導波路、マルチプレクサ、又はデマルチプレクサ等）を生成することができる。オンシリコンフォトニックにおいて、キャリア基板２１及びフォトニック成分は、シリコンに基づいて製造される。したがって、キャリア基板２１は、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板であり得る。しかしながら、他の多くの技術的プラットフォームが使用され得る。典型的には、シリコンがこの周波数で吸収するため、９０５ｎｍのアプリケーションのためのシリコン製導波路の使用は推奨されない。したがって、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ドープシリコン製のガイド等が使用される可能性がある。

光チップ２０は、レーザチップ１０の放射面１６に対向して配置された第一の側面を有し、これにより、カプラ３０は、フレアのレーザ源１２によって放射される光信号のかなりの部分を収集すればよい。レーザチップ１０と光チップ２０は、光信号がレーザチップ１０から光チップ２０に通過するために同じＸＺ平面内を伝搬するという意味で、同一平面状に組み立てられている。

これらは、光信号の伝搬を妨げないように屈折率が選択された光学接着剤のような接着材料の層２によって互いに接合されている。したがって、チップ１０、２０は、レンズのような受動光学素子によって相互に光学的に結合されない。光学接着剤２の屈折率は、カプラ３０の導波路のクラッド材料の屈折率と同一であってもよい。一例として、カプラ３０及びアーム２３の導波路は、窒化シリコン及び酸化シリコンのクラッドであってもよい。さらに、レーザチップ１０と光チップ２０との間の長手方向Ｚ軸に沿った間隔は、フレアのレーザ源１２が放射する光信号の最大値（信号が発散する範囲）を収集するために、１μｍ未満であることが好ましい。ただし、接着層２を使用せず、放射された光信号を両チップ間の空気中に伝送してもよい。いずれにしても、光電子エミッタ１は非常にコンパクトであり、結合効率は、そうでなければ必要とされる受動光学素子の相対的な位置決め誤差、特にＸ軸に沿った位置決め誤差によって影響を受けることはない。

カプラ３０は、フレアのレーザ源１２により放射される光信号の少なくとも一部分を収集し、それをＮ個のアーム２３に送信するように構成される。一般的に、カプラ３０は、入射光信号を収集する収集入力３１と、収集光信号を送信する送信出力３２とを含み、Ｎ個のアーム２３は、送信出力に結合される。

収集入力３１は、好ましくは、放射される光信号の強度の空間分布と少なくとも同じ大きさのアスペクト比を有するＸＹ平面内の横方向寸法を有する。より正確には、収集入力３１は、垂直Ｙ軸に沿って、カプラ３０及びアーム２３の導波路が生成されるフォトニック層の導波路層の厚さに対応する高さ、例えば１ミクロンのオーダー（数十ナノメートルから数ミクロン）及び水平Ｘ軸に沿って１ミクロンから数百ミクロンのオーダーの幅を有する。これにより、カプラ３０は、放射された光信号のかなりの部分を受信することができる。

さらに、送信出力３２は、光電子エミッタ１のＮ個のアーム２３に結合され、それらの縦軸がｚ_ｌの位置で（製造公差内に）離開するように配向されたＮ個の直線導波路を含む。直線導波路は、図２Ａから図２Ｃに示される出力導波路３４、又は図３に示されるテーパ導波路３５であってもよい。Ｎ個の直線導波路のこの長手方向は、放射された光信号の収集効率を最適化することを可能にする。

Ｎ個の直線導波路の各々は、収集入力３１に向けられた上流端と、反対の下流端とを有する。好ましくは、直線導波路の下流端は、送信出力３２を規定し、円弧の半径の中心が位置ｚｌに位置する円弧状に横方向（すなわちＸ軸に沿って）に配置され、これにより、光電子エミッタ１のアーム２３の方向における収集光信号の送信効率を最適化することができる。

図２Ａ～図２Ｃの例では、送信出力３２は、円弧の半径の中心が位置ｚ_ｌに位置する円弧状に配置されている。したがって、カプラ３０の出力は、フレアのレーザ源１２によって放射され、カプラ３０によって受信される光信号の波面の曲率と一致する曲率を有する。これにより、上述したように、（放射される光信号の収集効率が最適化されることに加えて）収集される光信号の伝送効率が最適化され、伝送される光信号に位相誤差が導入されることも回避される（ただし、位相誤差は位相器２４によって補正される）。ここでは、フレアのレーザ源１２の活性層の材料とカプラ３０の材料との屈折率の差による、光源から放射される光信号の波面とカプラ３０が受信する光信号の波面とのわずかな差を考慮してもよい。

本実施の形態では、カプラ３０はスターカプラである。これは、自由伝搬領域３３（ＦＰＲ）と出力導波路３４とを含む。収集入力３１は、ここではＦＰＲ３３の入口面であり、ここでは光軸Δに直交し、フレアのレーザ源１２に面して配置される。Ｘ軸に沿った長手方向寸法は、放射面１６の寸法より大きくてもよい。送信出力３２は、ここでは、出力導波路３４の下流端部によって形成され、円弧状であり、円弧の半径の中心は、フレアのレーザ源１２の位置ｚ_ｌに位置する。ＦＰＲ３３は、均一な屈折率の媒体によって形成され、光軸Δに沿って、収集入力３１及び出力導波路３４が結合される出口面３３．１によって囲まれている。出口面３３．１はまた、円弧状であり、その円弧の半径の中心もフレアのレーザ源１２の位置ｚ_ｌに位置している。したがって、カプラ３０は、Ｎ個の出力導波路３４を含み、これらは、放射された光信号の収集を最適化し、次いで、収集された光信号の伝送を最適化するように寸法化され、好ましくは、互いに幾何学的に同一である。図２Ａでは、これらは、ＦＰＲ３３の出口面３３．１から、送信出力３２を示す破線の円弧状線まで延びている。

Ｎ個の出力導波路３４は、収集された光信号をアーム２３のＮ個の導波路に伝送する。これらは、図２Ｃにより詳細に示すように、接続セグメント２２によってアーム２３に接続される。ここで、これらは、カプラ３０の伝送効率を最適化するために、光信号の伝搬方向に断熱的に減少するＸＹ平面内の幅を有するテーパ導波路である。したがって、幅は単調に、又は直線的に減少することができる。図２Ｂに示すように、これらはすべて、長さＬ_ｔ及び横方向寸法ｗ_ｔ（ｚ）に関して同一の寸法を有する。これらは直線状であり、それぞれ、フレアのレーザ源１２の位置ｚ_ｌの方向に縦方向に配向している。出力導波路３４の上流端部及び下流端部は、円弧の半径の中心が位置ｚ_ｌに位置する円弧に沿って横方向（ＸＺ面及びＸ軸に沿って）に配置されている。出力導波路３４の上流端部は、ＦＰＲ３３の円弧状の出口面３３．１に接続され、出力導波路３４の下流端部は、位置ｚ_ｌを中心とする円弧状の線で示される送信出力３２上に配置されている。

例として、フレアのレーザ源１２及びカプラ３０を詳細に示す概略的かつ部分的な上面図である図２Ｂに示すように、フレアのレーザ源１２は、９０５ｎｍに等しい波長λ_ｅの光信号を放射してもよい。フレアのセクション１５は、放射面１６において、長さＬ_ｌが２０００μｍ、最大幅ｗ_ｌが１５０μｍである。ここで、フレアのレーザ源１２は、距離δ_ｌが約６００μｍに等しい非点収差を有する。ここで、カプラ３０は、厚さ０．３μｍの窒化シリコン導波路層に形成された１００個の出力導波路３４からなり、Ｘ軸方向のピッチＰが約１．３μｍになるようにＦＰＲ３３の放射面に配置されている。各出力導波路３４は、その上流端において長さＬ_ｔが１００μｍ、最大幅ｗ_ｔが１．２μｍである。上流端は、約０．１μｍに等しい間隔ｇだけ互いに離間している。これらの条件下では、放射された光信号の少なくとも９０％が収集され、出力導波路３４に伝送される。

このように、カプラ３０は、出力導波路３４が直線状で位置ｚ_ｌに向かって長手方向に配向している限りにおいて、また、送信出力３２が円形でその中心が位置ｚ_ｌにある限りにおいて、すなわち、放射された光信号の波面の曲率と実質的に同一の曲率を有する限りにおいて、高い収集及び伝送効率を有する。種々の出力導波路３４によって送信される光信号への位相誤差の導入も回避され（それにもかかわらず、位相誤差は位相器２４によって補正され得る）、伝送効率は最適化される。さらに、カプラ３０の収集入力３１は、有利には、放射された光信号の強度のＸＹ平面における空間分布のそれらと少なくとも同じ大きさの横方向（Ｘ軸に沿って水平、Ｙ軸に沿って垂直）寸法を有し、したがって収集効率を改善する。また、そのようなカプラ３０（図２Ａのそれ又は図３のそれ）は、アーム２３における強度分布がガウス形式であり、あるアームから次のアームへの均等な分布ではないことを保証する。このガウス分布は、光電子エミッタ１が放射する光ビームの遠界強度分布のサイドローブを除去することを可能にする。具体的には、等分布はｓｉｎｃ関数の形態を有する遠界強度分布となる。

したがって、カプラ３０は、収集された光信号の電力をＮ個のアーム２３間で分割する機能を果たす。出力導波路３４は、接続セグメント２２によってＮ個のアーム２３に接続される。ここで、Ｎ個のアーム２３が好ましくは直線的で互いに平行である限り、接続セグメント２２は（光軸Δの延長にあるものを除いて）湾曲しており、接続セグメント毎に異なる長さを有する。なお、接続セグメント２２とアーム２３は、下流端における出力導波路３４の幅と同じ幅を有してもよい。以下に示すように、接続セグメント２２によって導入される位相シフトは、位相器２４によって補正される。

また、光電子エミッタ１は、一組の位相器２４と基本送信器２５とも備える。より正確には、アーム２３の少なくとも一部は、当該アーム２３を介して伝搬する光信号の位相を変更し、したがって、隣接するアーム２３を介して伝搬する光信号間に位相差Δφ、すなわち相対位相を生成するように設計された少なくとも一つの位相器２４を備えている。位相器２４は、カプラ３０と基本送信器２５との間に配置される。各アーム２３は、位相器を備えていてもよいし、アーム２３の一部のみが、例えば二つに一つのアーム２３のように備えられていてもよい。さらに、基準アーム２３は、いかなる位相器２４も備える必要はない。

位相器２４は、電気屈折効果又は熱光学効果を用いる位相器であってもよい。いずれの場合も、当該導波路のコアを形成する材料の屈折率を修正することによって位相の修正が得られる。この屈折率の修正は、電気屈折位相器２４の場合には自由キャリア密度を修正することによって得られ、熱光学位相器２４の場合には印加温度を修正することによって得られる。

好ましくは、位相器２４は、主放射軸のＸＹ平面におけるＹ軸（基本送信器２５の軸に直交する）への傾斜によって決定されるゼロでない角度θを得るように、アーム２３を伝搬する光信号に同じ相対位相値Δφを印加するように構成される。しかしながら、相対位相Δφは、異なる遠距離場パターンを得るために、又は、任意の位相誤差を考慮し補償するために、アーム２３間で同一でなくてもよい。これらの位相誤差は、光電子エミッタ１の特定の構成要素の経時劣化、製造プロセスにおける不均一性、製造プロセスにおけるゼロ以外の公差、及び／又は光電子エミッタ１の環境の影響（例えば、基本送信器２５を含む包装の潜在的影響）によって引き起こされ得る。

したがって、位相器２４は、（セグメント間で長さが異なる結果として）接続セグメント２２によってもたらされる望ましくない位相シフトを補正し得ることに留意されたい。この補正は、光電子エミッタの較正の前段階において較正されてもよい。

光電子エミッタ１は、アーム２３に結合され、したがって、位相器２４の下流に位置するＮ個の基本送信器２５又は光アンテナを備える。基本送信器２５によって放射される光信号間の相対位相Δφは、光電子エミッタ１のＸＹ平面におけるＹ軸に対して遠距離場における光ビームの主放射軸によって作られる角度θの値を特に決定する。

ここで、基本送信器２５は、アーム２３の導波路に形成された回折格子である。それらは、Ｚ軸に沿って互いに平行に伸び、Ｘ軸に沿って整列する。言い換えれば、最初の端はＺ軸に沿って、２番目の端と同じ位置になる。これらの端は、λ_ｅ／２と２λ_ｅの間にあることが好ましい距離だけ互いに離間する。情報のために、基本送信器２５の数Ｎは、約１０から約１万の範囲であってもよい。

このように、アーム２３を伝搬する光信号は、基本送信器２５による回折を介して部分的に自由空間に送信される。抽出された光信号は、自由空間を伝搬し、干渉を介して再結合し、光電子エミッタ１が放射する光ビームを遠距離場で形成し、その主放射軸の周りの角度分布が決定され、光電子エミッタ１の遠距離場放射パターンを規定する。

主放射軸がＹＺ平面のＹ軸に対してなす角度θは、周知のように、フレアのレーザ源１２の放射波長λ_ｅ及び基本送信器２５が形成する回折格子の周期Λに依存する。上述のように、ＸＹ平面のＹ軸に対する主放射軸の角度θは、位相器２４がアーム２３を伝搬する光信号に印加する相対位相Δφの値に依存する。一般的に、相対位相Δφが０であれば角度θは０になる、すなわち、遠界光ビームの主放射軸がＹ軸に平行であることが望ましい。これは一般的に、光電子エミッタの較正の前段階で決定される。

光電子エミッタの実際の遠距離場放射パターンに応じて、位相器を較正及び制御するのに適した制御装置（図示せず）に位相器２４を接続することが望ましいことに留意されたい。制御装置から送られる制御信号に応じて、位相器２４は、所望の遠距離場放射パターンを得るために、種々のアーム２３を伝搬する光信号に所定の相対位相Δφを生成することができる。制御装置は、２０２０年１２月２１日に出願された国際出願第ＰＣＴ／ＥＰ２０２０／０８７３８５号に記載されているように、干渉集束レンズ、複数の光検出器、及び制御モジュールから形成することができる。

図３は、実施の形態の一変形例にかかるカプラ３０を含む光電子エミッタ１の概略及び部分上面図である。本例では、カプラ３０は、その幅に断熱変化を有するテーパ導波路３５のアレイから形成される。ＦＰＲ３３に接続された出力導波路３４（図２Ａ）とは異なり、ここでのテーパ導波路３５の幅は、光信号の方向に増加する。さらに、カプラ３０はＦＰＲを有しておらず、したがって、テーパ導波路３５の上流端及び下流端は、それぞれカプラ３０の収集入力３１及び送信出力３２を形成する。テーパ導波路３５は直線状であり、位置ｚｌに向かって長手方向に配向されている。上流端は、ＸＺ平面内で円形に円弧を描く第一の線上に横方向に配置され、円形の円弧は位置ｚｌに中心が置かれ、下流端は、同様に、ＸＺ平面内で円形に円弧を描く第二の線上に横方向に配置され、円形の円弧は位置ｚｌに中心が置かれる。したがって、テーパ導波路３５は、同じ長さを有する。図２Ａの例のように、結合効率及び伝送効率を最適化するように、テーパ導波路３５の数、幅及び長さ、横方向の配置等を決定することができる。

図４は、互いに横に並んで配置された複数の光電子エミッタ１を含む構造の概略及び部分上面図である。このように、レーザチップ１０は、互いに平行な光軸に沿って配向され、同一のキャリア基板１１上に生成される複数のフレアのレーザ源１２を備える。フレアのレーザ源１２は、互いに同一であることが好ましい。光チップ２０は、複数の組のカプラ３０、位相器２４、及び基本送信器２５を備え、各組は、１つのフレアのレーザ源１２に光学的に結合される。これらの組は、同じキャリア基板２１上に製造される。

この構造は、光電子エミッタ１のコンパクトさによって可能になる。また、フレアのレーザ源１２から放射される光信号が楕円形状であるため、フレアのレーザ源１２とカプラ３０との間の特に高い効率の結合を維持しつつ、二つのチップのアライメントに関する制約を低減することができる。したがって、この構造は、特に高価な同調可能なレーザ光源を使用することなく、シーンを二次元でスキャンすることを可能にする。具体的には、各光電子エミッタ１は、異なる角度平面でシーンをスキャンするように構成することができる。

特定の実施の形態について説明した。種々の変更及び変形は、当業者にとって自明であろう。

Claims (9)

1. 前記光電子エミッタ（１）のＮ個（Ｎ＞１）の導波路形成アーム（２３）、前記アーム（２３）内に配置された複数の位相器（２４）及び基本送信器（２５）を含む光チップ（２０）と、
   レーザ源（１２）を含み、前記光チップ（２０）とは異なるレーザチップ（１０）と、
   を備え、
   前記レーザチップ（１０）は、同一平面上で前記光チップ（２０）に接合され、
   前記レーザ源（１２）は、フレアのレーザ源であり、前記フレアのレーザ源は、
   直線単一モードセクション（１４）と、主面内で外方向に広がっており、光軸Δに沿って延伸し、光信号を放射する面（１６）で終わるセクション（１５）とからなり、
   前記主面内で円形であり、前記光軸Δの前記フレアのセクション（１５）に位置する位置ｚ_ｌを中心とする波面を有する前記光信号を放射するように構成され、
   前記光チップ（２０）は、前記放射した光信号の少なくとも一部分を収集して送信するための前記フレアのレーザ源（１２）との光結合を保証するカプラ（３０）を備え、
   前記カプラ（３０）は、
   前記フレアのレーザ源（１２）の前記放射面（１６）に面して位置する収集入力（３１）と、
   前記光電子エミッタ（１）の前記Ｎ個のアーム（２３）に結合され、それらの縦軸が前記位置ｚ_ｌで交差するように配向されたＮ個の直線導波路（３４、３５）を含む送信出力（３２）と、
   を含む、フェーズドアレイ光電子エミッタ（１）。
2. 前記Ｎ個の直線導波路（３４、３５）の各々は、前記収集入力（３１）に向けられた上流端と、反対の下流端とを有し、前記下流端は、前記カプラ（３０）の前記送信出力（３２）を画定し、前記位置ｚ_ｌに位置する半径の中心を有する円弧状に横方向に配置される、
   請求項１に記載の光電子エミッタ（１）。
3. 前記カプラ（３０）は、スターカプラであり、
   前記スターカプラは、
   前記収集入力（３１）を形成し、前記フレアのレーザ源（１２）の前記放射面（１６）に結合される入口面と、前記円弧の前記半径の前記中心が前記位置ｚ_ｌに位置する円弧状である出口面（３３、１）とを有する均一の屈折率の媒体からなる自由伝播領域（３３）を備え、
   前記直線導波路は、それぞれが一方で前記出口面（３３、１）に接続され、他方で前記Ｎ個のアーム（２３）に接続される出力導波路（３４）であり、その前記下流端は、前記円弧の前記半径の中心が前記位置ｚ_ｌに位置する円弧状の前記送信出力（３２）を形成する線に沿って横方向に配置される、
   請求項２に記載の光電子エミッタ（１）。
4. 前記出力導波路（３４）は、テーパ導波路であり、前記自由伝播領域（３３）の前記出口面（３３、１）から減少する幅を有する、
   請求項３に記載の光電子エミッタ（１）。
5. 前記直線導波路は、その上流端が前記収集入力（３１）を形成する線に沿って位置し、その下流端が前記送信出力（３２）を形成する線に沿って位置するように、横方向に配置されたテーパ導波路（３５）であり、前記収集入力（３１）及び前記送信出力（３２）は、前記円弧の前記半径の中心が前記位置ｚ_ｌに位置する円弧状である、
   請求項２に記載の光電子エミッタ（１）。
6. 前記光チップ（２０）は、前記光軸Δに沿って前記レーザチップ（１０）から１μｍ以下の値だけ離間される、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光電子エミッタ（１）。
7. 前記レーザチップ（１０）及び前記光チップ（２０）は、接着層（２）により、互いに接合される、
   請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光電子エミッタ（１）。
8. 前記アーム（２３）は、直線的で互いに平行であり、種々の長さの接続セグメント（２２）により、前記送信出力（３２）に接続される、
   請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光電子エミッタ（１）。
9. 前記光チップ（２０）は、ＳＯＩ基板からなる、
   請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光電子エミッタ（１）。

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