JP6924014B2 - 傾動格子出力カプラのためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本開示の分野は、概して、光通信に関し、特に、格子出力カプラ（grating out-coupler）の選択的な傾動を容易にするアセンブリに関する。

少なくともいくつかの既知のＬＩＤＡＲシステムは、微小電気機械システム（microelectromechanical system：ＭＥＭＳ）ミラーを含む。ＭＥＭＳミラーは、印加電圧を用いて作動させることができる。このように作動するＭＥＭＳミラーは、視野内における対象物の範囲（range of objects）を測定するレーザービームの向きを操作するために用いることができる。しかしながら、ＭＥＭＳミラーを正確に位置合わせするのは比較的困難であり、結果として、比較的高い干渉および低い信号対雑音比（signal-to-noise ratio）を引き起こす場合がある。

一態様においては、格子出力カプラアセンブリが提供される。この格子出力カプラアセンブリは、基板と、基板の上方で懸架された傾動表面と、傾動表面の傾動を選択的に制御するように構成されたアクチュエータと、傾動表面によって支持された格子出力カプラと、を含む。

他の態様においては、ＬＩＤＡＲシステムが提供される。このＬＩＤＡＲシステムは、フォトニック回路と、前記フォトニック回路に接続された格子出力カプラアセンブリと、を含み、前記格子出力カプラアセンブリは、基板と、前記基板の上方で懸架された傾動表面と、前記傾動表面の傾動を選択的に制御するように構成されたアクチュエータと、前記傾動表面によって支持された格子出力カプラと、を含む。

さらに他の態様においては、ＬＩＤＡＲシステムを組み立てる方法が提供される。上記方法は、傾動表面の傾動を選択的に制御するように構成されたアクチュエータを用いて、基板の上方で前記傾動表面を懸架し、前記傾動表面上に格子出力カプラを配置し、前記格子出力カプラをフォトニック回路に光学的に接続する、ことを含む。

例示的な傾動格子出力カプラアセンブリを示す平面図である。 図１に示すアセンブリを示す斜視図である。 図２に示すアセンブリの断面を示す、当該アセンブリの斜視図である。 送信モードにおいて、図１に示すアセンブリを介した光の伝播を示す図である。 受信モードにおいて、図１に示すアセンブリを介した光の伝播を示す図である。 代替の傾動格子出力カプラアセンブリを示す平面図である。 代替の傾動格子出力カプラアセンブリを示す平面図である。 傾動格子出力カプラアセンブリを含む例示的なＬＩＤＡＲシステムを示すブロック図である。 ＬＩＤＡＲシステムを組み立てるための例示的な方法を示すフローチャートである。 代替の傾動格子出力カプラアセンブリを示す斜視図である。

本明細書で説明するシステム及び方法は、格子出力カプラアセンブリを提供する。当該アセンブリは、基板に形成されたキャビティの上方で懸架された傾動表面を含む。格子出力カプラは、傾動表面上に形成される。１つ又は複数のアクチュエータ（例えば、トーションバー（torsion bars））を用いて傾動表面を回動させることにより、格子出力カプラの配向を調整することができる。格子出力カプラは、送信素子又は受信素子として用いるために、フォトニック回路（photonic circuit）に連結されてもよい。本明細書において、「格子出力カプラ」は、導波路（waveguide）に対する入出射光を結合するように構成された微小電気機械システム（microelectromechanical system：ＭＥＭＳ）装置を指す。

図１は、例示的な傾動格子出力カプラアセンブリ１００を示す平面図である。図２は、アセンブリ１００を示す斜視図である。図１及び図２に示すように、アセンブリ１００は、傾動表面１０４上に設けられた格子出力カプラ１０２を含む。傾動表面１０４に接続されたアクチュエータ１０６は、傾動表面１０４の傾動（pitch）の調節を容易にする。傾動表面１０４は、アクチュエータ１０６上に設けられてもよいし、これに代えて、アクチュエータ１０６が、傾動表面１０４を貫通していてもよい。例示的な実施態様において、アクチュエータ１０６は、トーションバーである。具体的には、アクチュエータ１０６の縦軸１０７の周りにアクチュエータ１０６を回動させることにより、傾動表面１０４の傾動角が変化する。すなわち、アクチュエータ１０６は、当該アクチュエータ１０６が、縦軸１０７を中心として捻じれ回動できるような、比較的撓み易い材料で作製されている。例示的な実施態様において、傾動表面１０４（ひいては、格子出力カプラ１０２）は、一軸回動（すなわち、アクチュエータ１０６の縦軸１０７を中心とした回動）が可能である。これに代えて、他の実施態様においては、アセンブリ１００は、二軸回動が可能な外部ジンバル又は他のアクチュエータを含んでもよい。

図２に示すように、アセンブリ１００の傾動表面１０４は、基板１１０の上方、具体的には、基板１１０に形成されたキャビティ１０８の上方でアクチュエータ１０６により懸架されている。キャビティ１０８により、基板１１０に接触することなく傾動表面１０４を傾動させることができる。キャビティ１０８は、深さが約１５マイクロメートル（μｍ）であってもよく、長さ及び幅の寸法（すなわち、傾動表面１０４により形成される面に平行な方向の寸法）が約２ミリメートル（ｍｍ）×２ｍｍであってもよい。これに代えて、キャビティ１０８は、任意の適切な寸法を有していてもよい。いくつかの実施形態においては、キャビティ１０８の深さは、基板１１０全厚みに亘っていてもよい。これに代えて、キャビティ１０８の深さは、図３に最もよく示されているように、基板１１０の厚みの一部に亘るものでもよい。さらに、いくつかの実施態様においては、アセンブリ１００は、キャビティ１０８を含まなくてもよい。その代わりに、傾動表面１０４は、犠牲層（シリコン基板の場合、酸化シリコン層及びシリコン層）を用いて基板１１０の上方に懸架するようにしてもよい。この犠牲層を成長させた後、選択的にエッチングすると、傾動表面１０４が形成される。

光信号の送受信を容易にするために、例示的な実施態様においては、格子出力カプラ１０２は、光テーパ（optical taper）１１４を介して導波路１１２に接続されている。光テーパ１１４は、アセンブリ１００から光を送信する際に、光モードの幅を、導波路１１２から格子出力カプラ１０２に拡大するように構成されるとともに、アセンブリ１００で光を受信する際に、光モードの幅を、格子出力カプラ１０２から導波路１１２に縮小するように構成されたデバイスである。例えば、導波路１１２が第１の幅ｗ１を有すると仮定する。この場合、導波路１１２内の光のモードは、ｗ１×ｚ（ｚは、高さ寸法）の断面内に収まる。光が、光テーパ１１４に入射すると、当該光テーパは、光モードの幅が第２の幅ｗ２に到達するまで、光モードの幅を断熱的（adiabatically）に拡大する。この時点で、光は、ｗ２×ｚの断面内に収まる。第２の幅ｗ２は、格子出力カプラ１０２の幅に一致する。アセンブリ１００で受信する光に関しては、光テーパ１１４は、光モードの幅を、ｗ２からｗ１に断熱的に縮小する。したがって、光テーパ１１４は、最小限の損失で、導波路１１２と格子出力カプラ１０２との間で相違する幅の橋渡し（bridges）をする。

例示的な実施態様においては、導波路１１２は、アクチュエータ１０６の一部上をその長さ方向に沿って延在する。具体的には、導波路１１２は、アクチュエータ１０６の上に位置しており、可撓性材料で形成されている。このため、アクチュエータ１０６が縦軸１０７を中心として捻じれると、導波路１１２の一部も捻じれることになる。なお、導波路１１２の捻じれは、導波路１１２の光伝播能力に大きな影響を与えない。導波路１１２は、格子出力カプラ１０２を、光学的な送受信機１１３に接続する。送受信機１１３は、基板１１０上に概略的に示されているが、当業者であれば分かるように、送受信機１１３は、アセンブリ１００から分離していてもよい。光は、第１方向１１６に沿って格子出力カプラ１０２の内方及び外方に伝播するとともに、第１方向１１６に実質的に直交する第２方向１１８に沿って導波路１１２内に伝播する。すなわち、格子出力カプラ１０２は、当該格子出力カプラ１０２により形成される面の法線方向に光を吸収／出射する。

図３は、アセンブリ１００の断面を示す、アセンブリ１００の斜視図である。図２に示すように、格子出力カプラ１０２には複数の平行溝３０２が形成されており、これにより、格子構造体３０４が形成される。例示的な実施態様においては、光結合を容易にするために、格子出力カプラ１０２、光テーパ１１４、及び導波路１１２は、比較的高い屈折率を有する第１材料３１０（例えば、シリコン、ポリシリコン、ヒ化ガリウムなど）を、比較的低い屈折率を有する第２材料３１２（例えば、酸化アルミニウム、酸化シリコンなど）上に設けることにより形成される。例えば、格子構造体３０４は、平行溝３０２を第１材料３１０に形成し第２材料３１２には形成しないことにより、形成することができる。一例において、第１材料３１０は、２．５よりも高い屈折率を有し、第２材料３１２は、約１．５から２．５の範囲内の屈折率を有する。これに代えて、第１材料３１０及び第２材料３１２は、任意の適切な光学特性を有していてもよい。一実施態様においては、アクチュエータ１０６、傾動表面１０４、及び基板１１０は、ポリシリコン層及び酸化シリコン層を交互に設けることにより形成される。

図３に示すように、基板１１０は、ベース３２２上に形成された複数のＭＥＭＳ層３２０を含む。例示的な実施態様においては、ＭＥＭＳ層３２０は、シリコン層及び酸化シリコン層を交互に含み、ベース３２２は、シリコンで形成されている。これに代えて、ＭＥＭＳ層３２０及びベース３２２は、任意の適切な材料で形成されてもよい。

基板１１０は、例えば、化学蒸着プロセスを用いて形成してもよい。このプロセスにおいて、ベース３２２及びＭＥＭＳ層３２０は、シリコン及び酸化シリコンの格子を蒸着させることにより、形成される。蒸着プロセスにより直方体形状の構造体を形成することができ、当該構造体から材料を除去することによりキャビティ１０８を形成することができる。キャビティ１０８、ベース３２２、及びＭＥＭＳ層３２０の寸法は、格子出力カプラ１０２を用いて結合される光の波長により選択される。

図４Ａは、送信モードにおいて、アセンブリ１００から出射する光の伝播を示す図であり、図４Ｂは、受信モードにおいて、アセンブリ１００に入射する光の伝播を示す図である。送信モードにおいて、光は、表面伝播モードで導波路１１２に沿って伝播して、格子出力カプラ１０２から出射される。このときの光の出射方向は、格子出力カプラ１０２の傾動に依存し、且つ、導波路１１２を通る送信方向に実質的に垂直な方向である。受信モードにおいて、光は、格子出力カプラ１０２で受信され、表面伝播モードで導波路１１２に沿って送信される。このときの光の伝達方向は、格子出力カプラ１０２で光が受信された方向に実質的に垂直な方向である。上述したように、格子出力カプラ１０２は、光通信に際して、送受信機１１３（図１に示す）に対する送受信を行うべく、導波路１１２に対する入出射光を結合するために用いることができる。

図１〜図４Ｂに示す実施態様において、アセンブリ１００は、送受信機１１３との間で送受信する光を光学的に結合する１つの格子出力カプラ１０２を含む。これに代えて、他の実施態様におけるアセンブリは、複数の格子出力カプラを含んでもよい。例えば、図５は、代替の格子出力カプラアセンブリ５００を示す平面図である。アセンブリ５００は、第１傾動表面５０４上の第１格子出力カプラ５０２（例えば、格子出力カプラ１０２及び傾動表面１０４）と、第２傾動表面５０８上の第２格子出力カプラ５０６とを含む。アセンブリ１００と同様に、第１傾動表面５０４は、第１アクチュエータ５１０を用いて傾動させることが可能であり、第２傾動表面５０８は、第２アクチュエータ５１２を用いて傾動させることが可能である。

例示的な実施態様においては、第１格子出力カプラ５０２は、送信機５２０から出射する光を結合する送信素子として機能し、第２格子出力カプラ５０６は、受信機５２２に入射する光を結合する受信素子として機能する。同じアセンブリに送信素子及び受信素子の両方を含めることにより、アセンブリ５００は、周波数変調連続波（frequency-modulated continuous-wave：ＦＭＣＷ）ＬＩＤＡＲシステムなどの、システム・オン・チップ（system-on-a-chip）の用途に用いることができる。さらに、第１格子出力カプラ５０２及び第２格子出力カプラ５０６は、同じ配向又は異なる配向に傾動させてもよい。これにより、アセンブリ５００は、特定の方向（例えば、アセンブリ５００から信号が送信される方向と同じ方向）からリターン信号を隔離することができるため、他のユニットからの干渉を容易に防止することができる。

図６は、他の代替の格子出力カプラアセンブリ６００を示す平面図である。アセンブリ６００は、第１格子出力カプラ６０２と第２格子出力カプラ６０４とを含み、これらの両方が傾動表面６０６に設けられている。傾動表面６０６は、アクチュエータ１０６（図１に示す）と同様のアクチュエータ６１０を用いて傾動される。例示的な実施態様においては、第１格子出力カプラ６０２は、送信素子として機能し、第２格子出力カプラ６０４は、受信素子として機能する。同じアセンブリに送信素子及び受信素子の両方を含めることにより、アセンブリ６００は、ＦＭＣＷ ＬＩＤＡＲシステムなどの、システム・オン・チップの用途に用いることができる。なお、第１格子出力カプラ６０２及び第２格子出力カプラ６０４は、同じ傾動表面６０６上に設けられているため、同じアクチュエータ６１０を用いて、第１格子出力カプラ６０２及び第２格子出力カプラ６０４を同じ配向に傾動させることができる。これにより、第１格子出力カプラ６０２及び第２格子出力カプラ６０４の配向を同期する際の誤りを実質的に排除することができる。

図７は、アセンブリ１００（図１に示す）、アセンブリ５００（図５に示す）、又はアセンブリ６００（図６に示す）などの傾動格子出力カプラアセンブリ７０２を含む例示的なＬＩＤＡＲシステム７００を示すブロック図である。アセンブリ７０２は、フォトニック回路７０４に接続されており、このフォトニック回路７０４において、信号の送受信が行われる。フォトニック回路７０４は、例えば、送受信機１１３（図１に示す）を含みうる。ＬＩＤＡＲシステム７００は、例えば、チップスケールの周波数変調連続波長（ＦＭＣＷ）ＬＩＤＡＲシステムであってもよい。ＬＩＤＡＲシステム７００は、例えば、距離測定の用途（例えば、自律走行車により用いられる）、生物学的用途、指向性エネルギーの用途、及び／又は、通信の用途などに用いることができる。

図８は、ＬＩＤＡＲシステム７００などのＬＩＤＡＲシステムを組み立てるための例示的な方法８００を示すフローチャートである。方法８００は、傾動表面の傾動を選択的に制御するように構成されたアクチュエータを用いて、基板に形成されたキャビティの上方に傾動表面を懸架すること８０２を含む。上述したように、基板は、化学蒸着プロセスを用いて形成することができる。方法８００は、さらに、傾動表面上に格子出力カプラを配置すること８０４を含む。方法８００は、さらに、格子出力カプラをフォトニック回路に光学的に接続すること８０６を含む。

図９は、代替の格子出力カプラアセンブリ９００を示す斜視図である。アセンブリ１００と比較すると、アセンブリ９００はキャビティを含んでいない。その代わりに、格子出力カプラ９０２は、複数のアクチュエータ９０６により持ち上げられ、且つ、基板９１０の上方で懸架されている傾動表面９０４上に設けられている。例示的な実施態様において、傾動表面９０４は、当該傾動表面９０４が複数の異なる配向を採るように選択的に操作される４つのアクチュエータ９０６により懸架されている。これに代えて、アセンブリ９００は、任意の適切な数及び種類のアクチュエータ９０６を含んでもよい。格子出力カプラ１０２と同様に、格子出力カプラ９０２は、光テーパ９１４を介して導波路９１２に光学的に接続されている。この実施態様において、導波路９１２は、傾動表面９０２を貫通して、１つのアクチュエータ９０６に沿って延在している。

なお、本明細書で説明した格子出力カプラアセンブリは、フォトニック回路の残り部分を用いて一体的（monolithically）に製造することができる。これにより、例えば、追加の反射体の接合（この接合には、適切に機能を実現するための極めて正確な位置決めが求められる）などの、光ビームの向きを操作するために必要な光学的要素を組み込むために求められる高価でエラーを起こし易い工程を、容易に避けることができる。また、既知の構造体は、各界面において光学的損失をもたらす。本明細書で説明したシステム及び方法においてはアセンブリが一体化されているため、当該システム及び方法を用いれば、これらの損失を避けることができる。本明細書で説明したシステム及び方法により低減される損失とは、ミラー面における不完全反射性、接合媒体の吸収、及び、ミラーの不完全性による波面の歪み（wavefront distortion）などである。特に、波面の歪みを解消することにより、位相関係が、信号全体に亘って実質的に維持されるため、コヒーレント検波（coherent detection）の用途において、より高い信号対雑音比および解像度を実現することができる。

さらに、本開示は、以下の付記による実施形態を含む。

付記１．基板と、
前記基板の上方で懸架された傾動表面と、
前記傾動表面の傾動を選択的に制御するように構成されたアクチュエータと、
前記傾動表面によって支持された格子出力カプラと、を含む、格子出力カプラアセンブリ。

付記２．さらに、前記格子出力カプラをフォトニック回路の送信機及び受信機のうちの一方と接続させる導波路を含む、付記１に記載の格子出力カプラアセンブリ。

付記３．さらに、第２格子出力カプラを含む、付記１に記載の格子出力カプラアセンブリ。

付記４．前記格子出力カプラは、送信素子として機能するように構成されており、前記第２格子出力カプラは、受信素子として機能するように構成されている、付記３に記載の格子出力カプラアセンブリ。

付記５．前記傾動表面は、前記格子出力カプラ及び前記第２格子出力カプラの両方を支持する、付記３に記載の格子出力カプラアセンブリ。

付記６．さらに、
前記第２格子出力カプラを支持する第２傾動表面と、
前記第２傾動表面の傾動を選択的に制御するように構成された第２アクチュエータと、を含む、付記３に記載の格子出力カプラアセンブリ。

付記７．前記傾動表面の傾動は、前記第２傾動表面の傾動とは独立して調節可能である、付記６に記載の格子出力カプラアセンブリ。

付記８．前記アクチュエータは、前記基板に形成されたキャビティの上方で前記傾動表面を懸架するトーションバーを含む、付記１に記載の格子出力カプラアセンブリ。

付記９．フォトニック回路と、
前記フォトニック回路に接続された格子出力カプラアセンブリと、を含み、前記格子出力カプラアセンブリは、
基板と、
前記基板の上方で懸架された傾動表面と、
前記傾動表面の傾動を選択的に制御するように構成されたアクチュエータと、
前記傾動表面によって支持された格子出力カプラと、を含む、ＬＩＤＡＲシステム。

付記１０．前記格子出力カプラは、さらに、前記格子出力カプラをフォトニック回路の送信機及び受信機のうちの一方と接続させる導波路を含む、付記９に記載のＬＩＤＡＲシステム。

付記１１．前記格子出力カプラアセンブリは、さらに、第２格子出力カプラを含む、付記９に記載のＬＩＤＡＲシステム。

付記１２．前記格子出力カプラは、送信素子として機能するように構成されており、前記第２格子出力カプラは、受信素子として機能するように構成されている、付記１１に記載のＬＩＤＡＲシステム。

付記１３．前記傾動表面は、前記格子出力カプラ及び前記第２格子出力カプラの両方を支持する、付記１１に記載のＬＩＤＡＲシステム。

付記１４．前記格子出力カプラアセンブリは、
前記第２格子出力カプラを支持する第２傾動表面と、
前記第２傾動表面の傾動を選択的に制御するように構成された第２アクチュエータと、を含む、付記１１に記載のＬＩＤＡＲシステム。

付記１５．前記傾動表面の傾動は、前記第２傾動表面の傾動とは独立して調節可能である、付記１４に記載のＬＩＤＡＲシステム。

付記１６．前記アクチュエータは、前記基板に形成されたキャビティの上方で前記傾動表面を懸架するトーションバーを含む、付記９に記載のＬＩＤＡＲシステム。

付記１７．ＬＩＤＡＲシステムを組み立てる方法であって、
傾動表面の傾動を選択的に制御するように構成されたアクチュエータを用いて、基板の上方に前記傾動表面を懸架し、
前記傾動表面上に格子出力カプラを配置し、
前記格子出力カプラをフォトニック回路に光学的に接続する、方法。

付記１８．さらに、第２傾動表面上に第２格子出力カプラを配置する、付記１７に記載の方法。

付記１９．さらに、前記傾動表面の傾動および前記第２傾動表面の傾動を互いに独立して調節する、付記１８に記載の方法。

付記２０．さらに、前記傾動表面上に第２格子出力カプラを配置する、付記１７に記載の方法。

本明細書の記載は、例を用いて、ベストモードを含む様々な実施形態を開示するものであり、また、任意の装置又はシステムの作製及び使用、並びに、組み入れられた方法の実行を含む本開示の様々な実施形態を、当業者が実施できるようにするものである。特許を求める範囲は、特許請求の範囲によって規定されるものであり、当業者が思い付く他の実施例を含みうる。そのような他の例は、特許請求の範囲の文言と相違しない構成要素を有する場合、又は、特許請求の範囲の文言と実質的に相違しない均等の構成要素を含む場合において、特許請求の範囲に含まれることを意図している。

Claims (10)

1. 基板と、
   前記基板の上方で懸架された傾動表面と、
   前記傾動表面の傾動を選択的に制御するように構成されたアクチュエータと、
   前記傾動表面によって支持された格子出力カプラと、
   前記格子出力カプラをフォトニック回路の送信機及び受信機のうちの一方と接続させる導波路と、を含み、
   前記導波路は、前記アクチュエータの一部上をその長さ方向に延びるように形成されている、格子出力カプラアセンブリ。
2. 第２格子出力カプラをさらに含み、前記格子出力カプラは、送信素子として機能するように構成されており、前記第２格子出力カプラは、受信素子として機能するように構成されている、請求項１に記載の格子出力カプラアセンブリ。
3. 前記傾動表面は、前記格子出力カプラ及び前記第２格子出力カプラの両方を支持する、請求項２に記載の格子出力カプラアセンブリ。
4. さらに、
   前記第２格子出力カプラを支持する第２傾動表面と、
   前記第２傾動表面の傾動を選択的に制御するように構成された第２アクチュエータと、を含み、前記傾動表面の傾動は、前記第２傾動表面の傾動とは独立して調節可能である、請求項２に記載の格子出力カプラアセンブリ。
5. 前記アクチュエータは、前記基板に形成されたキャビティの上方で前記傾動表面を懸架するトーションバーを含む、請求項１〜４のいずれかに記載の格子出力カプラアセンブリ。
6. フォトニック回路と、
   前記フォトニック回路に接続された、請求項１〜５のいずれかに記載の前記格子出力カプラアセンブリと、を含む、ＬＩＤＡＲシステム。
7. ＬＩＤＡＲシステムを組み立てる方法であって、
   傾動表面の傾動を選択的に制御するように構成されたアクチュエータを用いて、基板の上方で前記傾動表面を懸架し、
   前記傾動表面上に格子出力カプラを配置し、
   前記アクチュエータの一部上をその長さ方向に延びるように導波路を配置して、前記格子出力カプラをフォトニック回路に光学的に接続する、方法。
8. さらに、第２傾動表面上に第２格子出力カプラを配置し、前記傾動表面の傾動および前記第２傾動表面の傾動を互いに独立して調節する、請求項７に記載の方法。
9. さらに、前記傾動表面上に第２格子出力カプラを配置する、請求項７に記載の方法。
10. 基板と、
    前記基板の上方で懸架された傾動表面と、
    前記傾動表面の傾動を選択的に制御するように構成されたアクチュエータと、
    前記傾動表面によって支持されるとともに、送信素子として機能するように構成された格子出力カプラと、
    受信素子として機能するように構成され第２格子出力カプラと、
    前記第２格子出力カプラを支持する第２傾動表面と、
    前記第２傾動表面の傾動を選択的に制御するように構成された第２アクチュエータと、を含み、
    前記傾動表面の傾動は、前記第２傾動表面の傾動とは独立して調節可能である、格子出力カプラアセンブリ。

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