JP7085034B2 - 光通信装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光通信装置に関するものであり、特に、小型でメタレンズを有する光通信装置に関するものである。
現在の光通信システムでは、電気光学変換器が電気信号を異なる波長の光信号に変換し、光マルチプレクサが異なる波長の光信号を収集し、それらを光ファイバに送信し、伝送を行う。波長分割多重（ＷＤＭ）は、シングルモードの光ファイバの低損失領域の広帯域幅を用いて、さまざまな波長の光信号を送信する方法である。
光ファイバは、それらの内部コアの直径に従って、シングルモードまたはマルチモードに分類される。シングルモードファイバは、Ｃバンドなど、１つの特定の波長で最低次モードのみを伝搬させることができ、Ｃバンドは、損失が最も少なく、長距離デジタル通信で最も一般的な帯域である。半導体プロセス技術の進化に伴い、光通信システム（電気光学変換器や光マルチプレクサを含む）のサイズをいかに小型化するかが重要な課題となっている。
小型でメタレンズを有する光通信装置を提供する。
上述の問題を解決するために、本発明の実施形態は、光通信装置を提供する。光通信装置は、複数のレーザー源、複数の第１のメタレンズ、および光ファイバを含む。レーザー光源は、電気信号に従って複数のレーザービームを同じ方向に伝送し、レーザービームは異なる波長を有する。第１のメタレンズはレーザービームを受光し、第１の基板内で、レーザービームを焦点に屈折させて混合レーザービームを生成する。光ファイバは伝送対象の混合レーザービームを受光し、焦点は光ファイバの入力端に配置される。
上述の光通信装置では、光通信装置は、複数の第２のメタレンズをさらに含む。第２のメタレンズは、レーザー光源と第１のメタレンズの間に配置され、レーザービームを屈折させてレーザービームのビームプロファイルが楕円形から円形に変化するようにする。
上述の光通信装置によれば、レーザービームの波長は、１５３０ナノメートル～１５６５ナノメートルの間である。
上述の光通信装置によれば、第１のメタレンズと光ファイバとの間の距離は、第１の基板の厚さと等しい。
上記の光通信装置によれば、第１および第２のメタレンズのそれぞれは、それぞれ異なる直径を有する複数のシリンダーを含む。
上記の光通信装置によれば、第１のメタレンズと光ファイバとの間の距離は、第１のメタレンズの直径よりも大きい。
上述の光通信装置によれば、混合レーザービームは、光ファイバ内でシングルモードで伝送される。
上述の光通信装置によれば、第１のメタレンズのそれぞれは、個別に設計され、それにより第１のメタレンズを通過するレーザービームの屈折角が光ファイバの開口数（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ；ＮＡ）と一致する。
上述の光通信装置によれば、光通信装置は、第３のメタレンズ、グレーティング（ｇｒａｔｉｎｇ）、および複数の第４のメタレンズをさらに含む。第３のメタレンズは、光ファイバから混合レーザービームを受光し、混合レーザービームを平行光化する。グレーティングは、混合レーザービームを分散させ、異なる波長のレーザービームを復元（ｒｅｃｏｖｅｒ）する。第４のメタレンズはレーザービームを受光し、レーザービームを屈折させて複数の第２の光ファイバに集光させる。第２の光ファイバは、異なる波長のそれぞれのレーザービームを受光する。
上述の光通信装置によれば、第４のメタレンズのそれぞれは、個別に設計され、それにより第４のメタレンズを通過するレーザー光の屈折角が第２の光ファイバの開口数（ＮＡ）と一致する。
上記の光通信装置によれば、レーザー光源は半導体レーザーである。
上述の光通信装置によれば、レーザー光源と第１および第２のメタレンズは、第２の基板上に形成され、第１および第２のメタレンズは、緩衝層の上面に形成され、緩衝層は、第１および第２のメタレンズと第２の基板との間にある。
上述の光通信装置によれば、緩衝層の厚さは、レーザー光源の高さが第１および第２のメタレンズの高さと一致するように調整されることができる。
上述の光通信装置によれば、第１の基板はガラスを含み、第２の基板はリン化インジウム（ＩｎＰ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、およびサファイアを含む。
上述の光通信装置によれば、第１、第２、および第４のメタレンズ、第３のメタレンズ、並びにグレーティングは、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、アンチモン化アルミニウム（ＡｌＳｂ）、砒化アルミニウム（ＡｌＡｓ）、砒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）、リン化ガリウムインジウムアルミニウム（ＡｌＧａＩｎＰ）、リン化ホウ素（ＢＰ）、またはリン化ゲルマニウム亜鉛（ＺｎＧｅＰ２）を含む。
本発明は、添付の図面を参照しながら後続の詳細な説明を読むことにより、より完全に理解することができる。これらの図面は、業界の標準的な慣行に従って縮尺通りに描かれるとは限らないことを理解されたい。部品のサイズは、明確な図を提供するために拡大または縮小することができる。
図１は、本開示のいくつかの実施形態による、光通信装置１００の概略図である。 図２は、本開示のいくつかの実施形態による、光通信装置２００の概略図である。 図３は、本開示のいくつかの実施形態による、メタレンズの概略図である。 図４は、本開示のいくつかの実施形態による、光通信装置４００の概略図である。 図５は、本開示のいくつかの実施形態による、光通信装置５００の概略図である。 図６は、本開示のいくつかの実施形態による、図４のメタレンズの断面図である。 図７は、本開示の他の実施形態による光通信装置１００の概略図である。 図８は、本開示の他の実施形態による光通信装置４００の概略図である。
図１は、本開示のいくつかの実施形態による、光通信装置１００の概略図である。図１に示すように、光通信装置１００は、複数のレーザー光源（例えば、レーザー光源１０２－１、１０２－２、１０２－３、…、１０２－ｎ）、複数のメタレンズ（例えば、メタレンズ１０４－１、１０４－２、１０４－３、…、１０４－ｎ）、基板１０８、および光ファイバ１０６を含む。レーザー光源１０２－１は、波長λ１のレーザービーム１２０－１をメタレンズ１０４－１に透過させ、レーザー光源１０２－２は、波長λ２のレーザービーム１２０－２をメタレンズ１０４－２に透過させ、レーザー光源１０２－３は、波長λ３のレーザービーム１２０－３をメタレンズ１０４－３に透過させ、且つレーザー光源１０２－ｎは、波長λｎのレーザービーム１２０－ｎをメタレンズ１０４－ｎに透過させる。いくつかの実施形態では、ｎは４０に等しいが、本発明はそれに限定されない。波長λ１、λ２、λ３、…、λｎは全てＣバンド内にある。即ち、波長λ１、λ２、λ３、…、λｎは、１５３０ナノメートル～１５６５ナノメートルの間にある。いくつかの実施形態では、Ｃバンドは平均的に４０のチャネルに分割され、それによりレーザー源１０２－１、１０２－２、１０２－３、…、１０２－ｎ（ｎ ＝ ４０）は、４０チャネルで互いに異なる波長を有するレーザービーム１２０－１、１２０－２、１２０－３、…、１２０－ｎをそれぞれ生成する。
いくつかの実施形態では、レーザー光源１０２－１、１０２－２、１０２－３、…、１０２－ｎは、異なる電気信号に従って異なる波長のレーザービームを透過させる半導体レーザーである。言い換えると、レーザー光源１０２－１、１０２－２、１０２－３、…、１０２－ｎは、電気信号を光信号（レーザービームなど）に変換することができる。メタレンズ１０４－１は、波長λ１のレーザービーム１２０－１を受光し、レーザービーム１２０－１を屈折させて、基板１０８内の焦点１１０に集光（ｆｏｃｕｓ）レーザービーム１３０－１を形成する。メタレンズ１０４－２は、波長λ２のレーザービーム１２０－２を受光し、レーザービーム１２０－２を屈折させて、基板１０８内の焦点１１０に集光レーザービーム１３０－２を形成する。メタレンズ１０４－３は、波長λ３のレーザービーム１２０－２を受光し、レーザービーム１２０－２を屈折させて、基板１０８内の焦点１１０に集光レーザービーム１３０－２を形成する。同様に、メタレンズ１０４－ｎは、波長λｎのレーザービーム１２０－ｎを受光し、レーザービーム１２０－ｎを屈折させて、基板１０８内の焦点１１０に集光レーザービーム１３０－ｎを形成する。いくつかの実施形態では、基板１０８はガラスを含むが、本発明はそれに限定されない。
いくつかの実施形態では、メタレンズ１０４－１、１０４－２、１０４－３、…、１０４－ｎは、それぞれ個別に設計され、それにより、メタレンズ１０４－１、１０４－２、１０４－３、…、１０４－ｎに対応して通過するレーザービーム１２０－１、１２０－２、１２０－３、…、１２０－ｎの屈折角が光ファイバ１０６の開口数（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ；ＮＡ）と一致する。焦点１１０には、混合（ｍｉｘｅｄ）レーザービーム（図示せず）が形成される。いくつかの実施形態では、焦点１１０が光ファイバ１０６の入力端に配置されているため、混合レーザービームが光ファイバ１０６内に伝送されることができる。いくつかの実施形態では、光ファイバ１０６は、６～９マイクロメートルのコア径を有するシングルモード光ファイバであり、それにより、混合レーザービームが光ファイバ１０６内でシングルモードで伝送される。いくつかの実施形態では、メタレンズ１０４－１、１０４－２、１０４－３、…、１０４－ｎと光ファイバ１０６との間の距離は、基板１０８の厚さにと等しい。
図１では、レーザー光源１０２－１、１０２－２、１０２－３、…、１０２－ｎおよびメタレンズ１０４－１、１０４－２、１０４－３、…、１０４－ｎは、ｘ方向に沿って配置される。しかしながら、レーザー光源１０２－１、１０２－２、１０２－３、…、１０２－ｎおよびメタレンズ１０４－１、１０４－２、１０４－３、…、１０４－ｎは、同時にｘ方向とｙ方向に沿って配置されることもできる。言い換えれば、レーザー光源およびメタレンズの配置は３次元（３Ｄ）である。
図２は、本開示のいくつかの実施形態による、光通信装置２００の概略図である。図２に示すように、光通信装置２００は、複数のレーザー光源（例えば、レーザー光源２０２－１、２０２－２、２０２－３、…、２０２－ｎ）、複数の第１のメタレンズ（例えば、メタレンズ２０４－１、２０４－２、２０４－３、…、２０４－ｎ）、複数の第２のメタレンズ（例えば、メタレンズ２１４－１、２１４－２、２１４－３、…、２１４－ｎ）、基板２０８、および光ファイバ２０６を含む。レーザー光源２０２－１は、波長λ１のレーザービーム２２０－１をメタレンズ２１４－１に透過させ、レーザー光源２０２－２は、波長λ２のレーザービーム２２０－２をメタレンズ２１４－２に透過させ、レーザー光源２０２－３は、波長λ３のレーザービーム２２０－３をメタレンズ２１４－３に透過させ、且つレーザー光源２０２－ｎは、波長λｎのレーザービーム２２０－ｎをメタレンズ２１４－ｎに透過させる。いくつかの実施形態では、ｎは４０に等しい。
いくつかの実施形態では、メタレンズ２１４－１、２１４－２、２１４－３、…、２１０－ｎは、レーザー光源２０２－１、２０２－２、２０２－３、…、２０２－ｎとメタレンズ２０４－１、２０４－２、２１０４－３、…、２０４－ｎとの間に配置される。メタレンズ２１４－１は、波長λ１のレーザービーム２２０－１を受光して屈折させ、それにより、レーザービーム２２０－１のビームプロファイルが楕円形から円形（例えば、ビームプロファイル２４０からビームプロファイル２５０に）に変化する。同様に、メタレンズ２１４－２は、波長λ２のレーザービーム２２０－２を受光して屈折させ、それにより、レーザービーム２２０－２のビームプロファイルが楕円形から円形に変化する。メタレンズ２１４－３は、波長λ３のレーザービーム２２０－３を受光して屈折させ、それにより、レーザービーム２２０－３のビームプロファイルが楕円形から円形に変化する。メタレンズ２１４－ｎは、波長λｎのレーザービーム２２０－ｎを受光して屈折させ、それにより、レーザービーム２２０－ｎのビームプロファイルが楕円形から円形に変化する。
その後、メタレンズ２０４－１は、レーザービーム２２０－１を屈折させて、基板２０８内の焦点２１０に集光レーザービーム２３０－１を形成する。同様に、メタレンズ２０４－２は、レーザービーム２２０－２を屈折させて、基板２０８内の焦点２１０に集光レーザービーム２３０－２を形成する。メタレンズ２０４－３は、レーザービーム２２０－３を屈折させて、基板２０８内の焦点２１０に集光レーザービーム２３０－３を形成する。メタレンズ２０４－ｎは、レーザービーム２２０－ｎを屈折させて、基板２０８内の焦点２１０に集光レーザービーム２３０－ｎを形成する。図１の焦点１１０と同様に、焦点２１０は、光ファイバ２０６の入力端に配置されており、それにより、混合レーザービームが光ファイバ２０６内に伝送されることができる。
図３は、本開示のいくつかの実施形態による、メタレンズ（例えば、メタレンズ１０４－１）の概略図である。図３に示されるように、メタレンズ１０４－１、１０４－２、１０４－３、…、１０４－ｎ、２０４－１、２０４－２、２０４－３、…、２０４－ｎ、２１４－１、２１４－２、２１４－３、…、２１４－ｎのそれぞれは、異なる直径を有する複数のシリンダー（ｃｙｌｉｎｄｅｒ）を含む。シリンダーはｘ方向とｙ方向に沿って不規則に配置される。例えば、図３では、シリンダーは放射状に配置される。シリンダーの直径と配置は、調整されてレーザービームの屈折角を微調整することができる。各シリンダーは、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、アンチモン化アルミニウム（ＡｌＳｂ）、砒化アルミニウム（ＡｌＡｓ）、砒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）、リン化ガリウムインジウムアルミニウム（ＡｌＧａＩｎＰ）、リン化ホウ素（ＢＰ）、リン化ゲルマニウム亜鉛（ＺｎＧｅＰ２）、またはそれらの組み合わせを含む。
図４は、本開示のいくつかの実施形態による、光通信装置４００の概略図である。通信装置４００は、複数のレーザー光源（例えば、レーザー光源４０２－１、４０２－２、４０２－３、…、４０２－ｎ）、複数の第１のメタレンズ（例えば、メタレンズ４０４－１、４０４－２）、および複数の第２のメタレンズ（例えば、メタレンズ４１４－１、４１４－２、４１４－３、…、４１４－ｎ）を含む。いくつかの実施形態では、レーザー光源４０２－１、４０２－２、４０２－３、…、４０２－ｎ、メタレンズ４０４－１、４０４－２、およびメタレンズ４１４－１、４１４－２、４１４－３、…、４１４－ｎは全て、半導体プロセスによって共通の基板（図示せず）上に形成される。即ち、図４は、通信装置４００の上面図である。
レーザー光源４０２－１は、波長λ１のレーザービーム４２０－１をメタレンズ４１４－１に透過させ、メタレンズ４１４－１は、レーザービーム４２０－１を受光して屈折させ、それにより、レーザービーム４２０－１のビームプロファイルが楕円形から円形に変化する。同様に、レーザー光源４０２－２は、波長λ２のレーザービーム４２０－２をメタレンズ４１４－２に透過させ、メタレンズ４１４－２は、レーザービーム４２０－２を受光して屈折させ、それにより、レーザービーム４２０－２のビームプロファイルが楕円形から円形に変化する。レーザー光源４０２－３は、波長λ３のレーザービーム４２０－３をメタレンズ４１４－３に透過させ、メタレンズ４１４－３は、レーザービーム４２０－３を受光して屈折させ、それにより、レーザービーム４２０－３のビームプロファイルが楕円形から円形に変化する。レーザー光源４０２－ｎは、波長λｎのレーザービーム４２０－ｎをメタレンズ４１４－ｎに透過させ、メタレンズ４１４－ｎは、レーザービーム４２０－ｎを受光して屈折させ、それにより、レーザービーム４２０－ｎのビームプロファイルが楕円形から円形に変化する。その後、レーザービーム４２０－１、４２０－２、４２０－３、…、４２０－ｎは、メタレンズ４０４－１、４０４－２に伝搬して集光し、それにより、それらは全て焦点４１０に屈折され、混合レーザービームを形成する。焦点４１０は、光ファイバ４０６の入力端に配置されているため、混合レーザービームが光ファイバ４０６内に伝送されることができる。
いくつかの実施形態では、レーザー光源４０２－１、４０２－２、４０２－３、…、４０２－ｎおよびメタレンズ４１４－１、４１４－２、４１４－３、…、４１４－ｎは、ｙ方向に沿って配置される。いくつかの実施形態では、メタレンズ４１４－１、４１４－２、４１４－３、…、４１４－ｎ、４０４－１、４０４－２のそれぞれは、ｙ方向に沿って配置された複数の立方体（ｃｕｂｏｉｄｓ）を含む。立方体間の距離、および各立方体の長さと幅が調整されて、レーザービームの屈折角およびレーザービームのビームプロファイルが微調整されることができる。
図５は、本開示のいくつかの実施形態による、光通信装置５００の概略図である。通信装置５００は、複数のレーザー光源（例えば、レーザー光源５０２－１、５０２－２、５０２－３、…、５０２－ｎ）、複数の第１のメタレンズ（例えば、メタレンズ５０４－１、５０４－２）、および複数の第２のメタレンズ（例えば、メタレンズ５１４－１、５１４－２、４５１４－３、…、５１４－ｎ）を含む。いくつかの実施形態では、レーザー光源５０２－１、５０２－２、５０２－３、…、５０２－ｎ、メタレンズ５０４－１、５０４－２、およびメタレンズ５１４－１、５１４－２、５１４－３、…、５１４－ｎは全て、半導体プロセスによって共通の基板（図示せず）上に形成される。即ち、図５は、通信装置５００の上面図である。
図４と同様に、レーザー光源５０２－１は、波長λ１のレーザービーム５２０－１をメタレンズ５１４－１に透過させ、メタレンズ５１４－１は、レーザービーム５２０－１を受光して屈折させ、それにより、レーザービーム５２０－１のビームプロファイルが楕円形から円形に変化する。同様に、レーザー光源５０２－２は、波長λ２のレーザービーム５２０－２をメタレンズ５１４－２に透過させ、メタレンズ５１４－２は、レーザービーム５２０－２を受光して屈折させ、それにより、レーザービーム５２０－２のビームプロファイルが楕円形から円形に変化する。レーザー光源５０２－３は、波長λ３のレーザービーム５２０－３をメタレンズ５１４－３に透過させ、メタレンズ５１４－３は、レーザービーム５２０－３を受光して屈折させ、それにより、レーザービーム５２０－３のビームプロファイルが楕円形から円形に変化する。レーザー光源５０２－ｎは、波長λｎのレーザービーム５２０－ｎをメタレンズ５１４－ｎに透過させ、メタレンズ５１４－ｎは、レーザービーム５２０－ｎを受光して屈折させ、それにより、レーザービーム５２０－ｎのビームプロファイルが楕円形から円形に変化する。その後、レーザービーム５２０－１、５２０－２、５２０－３、…、５２０－ｎは、メタレンズ５０４－１、５０４－２に伝搬して集光し、それにより、それらは全て焦点５１０に屈折され、混合レーザービームを形成する。焦点５１０は、光ファイバ５０６の入力端に配置されているため、混合レーザービームが光ファイバ５０６内に伝送されることができる。
いくつかの実施形態では、レーザー光源５０２－１、５０２－２、５０２－３、…、５０２－ｎおよびメタレンズ５１４－１、５１４－２、５１４－３、…、５１４－ｎは、ｙ方向に沿って配置される。いくつかの実施形態では、メタレンズ５１４－１、５１４－２、５１４－３、…、５１４－ｎ、５０４－１、５０４－２のそれぞれは、ｙ方向に沿って配置された複数のシリンダー（ｃｕｂｏｉｄｓ）を含む。シリンダー間の距離、および各シリンダーの直径が調整されて、レーザービームの屈折角およびレーザービームのビームプロファイルが微調整されることができる。
図６は、本開示のいくつかの実施形態による、図４のメタレンズ（例えば、メタレンズ４１４－１）の断面図である。図６に示されるように、メタレンズ４１４－１は、基板６００（共通基板など）および基板６０２上に形成される。基板６０２は緩衝層であり、メタレンズ４１４－１と基板６００との間にある。詳細には、メタレンズ４１４－１は、基板６０２の上面に形成されている。誘電材料６０４がメタレンズ４１４－１に充填されてメタレンズ４１４－１の立方体構造を保護することができる。いくつかの実施形態では、誘電材料６０４はポリマーである。いくつかの実施形態では、誘電材料６０４は空気であることもできる。基板６０２の厚さは、レーザー光源４０２－１の高さがメタレンズ４１４－１の高さと一致するように調整されることができる。いくつかの実施形態では、基板６００は、リン化インジウム（ＩｎＰ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、サファイア、またはそれらの組み合わせを含む。
図７は、本開示のもう１つの実施形態による図１の光通信装置１００（図２の光通信装置２００）の概略図である。図７に示されるように、光通信装置１００（または図２の通信装置２００）は、メタレンズ７００、グレーティング（ｇｒａｔｉｎｇ）７０２、複数のメタレンズ（例えば、メタレンズ７０４－１、７０４－２、…、７０４－ｎ）、および複数の光ファイバ（例えば、光ファイバ７０６－１、７０６－２、…、７０６－ｎ）をさらに含む。混合レーザービームは、光ファイバ１０６（または光ファイバ２０６）からメタレンズ７００に伝送される。メタレンズ７００は、光ファイバ１０６（または光ファイバ２０６）からの混合レーザービームを平行光化する。その後、グレーティング７０２は、混合レーザービームを分散させて、波長λ１のレーザービーム７１０－１、波長λ２のレーザービーム７１０－２、…、および波長λｎのレーザービーム７１０－ｎを形成する。いくつかの実施形態では、ｎは４０に等しいが、本発明はそれに限定されない。
メタレンズ７０４－１は、波長λ１のレーザービーム７１０－１を受光し、屈折させて、レーザービーム７１０－１を光ファイバ７０６－１に集光させる。メタレンズ７０４－２は、波長λ２のレーザービーム７１０－２を受光し、屈折させて、レーザービーム７１０－２を光ファイバ７０６－２に集光させる。メタレンズ７０４－ｎは、波長λｎのレーザービーム７１０－ｎを受光し、屈折させて、レーザービーム７１０－ｎを光ファイバ７０６－ｎに集光させる。いくつかの実施形態では、メタレンズ７００、７０４－１、７０４－２、…、７０４－ｎのそれぞれは、異なる直径を有する複数のシリンダーを含む。シリンダーはｘ方向とｙ方向に沿って不規則に配置される。いくつかの実施形態では、グレーティング７０２も異なる直径を有する複数のシリンダーを含む。しかしながら、グレーティング７０２のシリンダーは、ｘ方向およびｙ方向に沿って規則的に配置される。いくつかの実施形態では、メタレンズ７００の開口数（ＮＡ）は、ＷＧ（Ｗｈｉｓｐｅｒｉｎｇ Ｇａｌｌｅｒｙ）モード（ＬＰ０１）と一致する必要がある。シリンダー間の距離、および各シリンダーの直径が調整されて、レーザービームの屈折角が微調整されることができる。
図８は、本開示のもう１つの実施形態による光通信装置４００の概略図である。図８に示されるように、光通信装置４００は、メタレンズ８００、グレーティング８０２、複数のメタレンズ（メタレンズ８０４－１、８０４－２、…、８０４－ｎなど）、複数の光ファイバ（光ファイバ８０６－１、８０６－２、…、８０６－ｎなど）をさらに含む。いくつかの実施形態では、メタレンズ８００、グレーティング８０２、およびメタレンズ８０４－１、８０４－２、…、８０４－ｎは、半導体プロセスによって共通の基板（図示せず）上に形成される。混合レーザービームは、光ファイバ４０６からメタレンズ８００に伝送される。同様に、メタレンズ８００は、光ファイバ４０６からの混合レーザービームを平行光化する。その後、グレーティング８０２は、混合レーザービームを分散させて、波長λ１のレーザービーム８１０－１、波長λ２のレーザービーム８１０－２、…、および波長λｎのレーザービーム８１０－ｎを形成する。
メタレンズ８０４－１は、波長λ１のレーザービーム８１０－１を受光し、屈折させて、レーザービーム８１０－１を光ファイバ８０６－１に集光させる。メタレンズ８０４－２は、波長λ２のレーザービーム８１０－２を受光し、屈折させて、レーザービーム８１０－２を光ファイバ８０６－２に集光させる。メタレンズ８０４－ｎは、波長λｎのレーザービーム８１０－ｎを受光し、屈折させて、レーザービーム８１０－ｎを光ファイバ８０６－ｎに集光させる。いくつかの実施形態では、メタレンズ８００、８０４－１、８０４－２、…、８０４－ｎのそれぞれは、複数の立方体を含む。立方体はｙ方向に沿って不規則に配置される。グレーティング８０２も複数の立方体を含む。しかしながら、グレーティング８０２の立方体は、ｙ方向に沿って規則的に配置される。立方体間の距離、および各立方体の長さと幅が調整されて、レーザービームの屈折角が微調整されることができる。
いくつかの実施形態では、図４および図５のレーザー光源およびメタレンズ、ならびに図８のレーザー光源、メタレンズ、およびグレーティングは、集積回路（例えば、チップまたはＳｏＣ）内に組み込まれることができ、それにより各レーザー光源がメタレンズに容易かつ正確に位置合わせされることができ、光通信システムの小型化を図ることができる。
「第１」、「第２」、「第３」などの本発明の明細書および特許請求の範囲の序数は、連続した関係を持たず、同じ名前の２つの異なる構成要素を区別するためだけのものである。本発明の明細書において、「結合（ｃｏｕｐｌｅ）」という用語は、あらゆる種類の直接的または間接的な電子的接続を意味する。本発明は、上述の好ましい実施形態で開示されているが、本発明の幅および範囲は、上述の実施形態のいずれによっても制限されるべきではない。当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、小さな変更および修正を行うことができる。本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲およびそれらの同等物に従って定義されるべきである。
１００ 光通信装置
１０２－１、１０２－２、１０２－３、…、１０２－ｎ レーザー光源
１０４－１、１０４－２、１０４－３、…、１０４－ｎ メタレンズ
１０６ 光ファイバ
１０８ 基板
１１０ 焦点
１２０－１、１２０－２、１２０－３、…、１２０－ｎ レーザービーム
１３０－１、１３０－２、１３０－３、…、１３０－ｎ 集光レーザービーム
Ｘ、Ｙ、Ｚ 方向
２００ 光通信装置
２０２－１、２０２－２、２０２－３、…、２０２－ｎ レーザー光源
２０４－１、２０４－２、２０４－３、…、２０４－ｎ メタレンズ
２０６ 光ファイバ
２０８ 基板
２１０ 焦点
２１４－１、２１４－２、２１４－３、…、２１４－ｎ メタレンズ
２２０－１、２２０－２、２２０－３、…、２２０－ｎ レーザービーム
２３０－１、２３０－２、２３０－３、…、２３０－ｎ 集光レーザービーム
２４０、２５０ ビームプロファイル
４００ 光通信装置
４０２－１、４０２－２、４０２－３、…、４０２－ｎ レーザー光源
４０４－１、４０４－２ メタレンズ
４０６ 光ファイバ
４１０ 焦点
４１４－１、４１４－２、４１４－３、…、４１４－ｎ メタレンズ
４２０－１、４２０－２、４２０－３、…、４２０－ｎ レーザービーム
５００ 光通信装置
５０２－１、５０２－２、５０２－３、…、５０２－ｎ レーザー光源
５０４－１、５０４－２ メタレンズ
５０６ 光ファイバ
５１０ 焦点
５１４－１、５１４－２、５１４－３、…、５１４－ｎ メタレンズ
５２０－１、５２０－２、５２０－３、…、５２０－ｎ レーザービーム
６００、６０２ 基板
６０４ 誘電材料
７００ メタレンズ
７０２ グレーティング
７０４－１、７０４－２、…、７０４－ｎ メタレンズ
７０６－１、７０６－２、…、７０６－ｎ 光ファイバ
７１０－１、７１０－２、…、７１０－ｎ レーザービーム
λ１、λ２、λ３、…、λｎ 波長
８００ メタレンズ
８０２ グレーティング
８０４－１、８０４－２、…、８０４－ｎ メタレンズ
８０６－１、８０６－２、…、８０６－ｎ 光ファイバ
８１０－１、８１０－２、…、８１０－ｎ レーザービーム

Claims (13)

  1. 電気信号に従って、異なる波長を有する複数のレーザービームを同じ方向に伝送する複数のレーザー光源、
    前記レーザービームを受光し、第１の基板内で、前記レーザービームを焦点に屈折させて混合レーザービームを生成する複数の第１のメタレンズ、
    伝送対象の前記混合レーザービームを受光し前記焦点が光ファイバの入力端に配置される光ファイバ、及び、
    前記レーザー光源と前記第１のメタレンズの間に配置された複数の第２のメタレンズを含み、
    前記第２のメタレンズは、前記レーザービームを屈折させて前記レーザービームのビームプロファイルが楕円形から円形に変化するようにする光通信装置。
  2. 前記レーザービームの波長は、１５３０ナノメートル～１５６５ナノメートルの間である請求項１に記載の光通信装置。
  3. 前記第１のメタレンズと前記光ファイバとの間の距離は、前記第１の基板の厚さと等しい請求項１に記載の光通信装置。
  4. 前記第１および前記第２のメタレンズのそれぞれは、異なる直径を有する複数のシリンダーを含む請求項１に記載の光通信装置。
  5. 前記混合レーザービームは、前記光ファイバ内でシングルモードで伝送される請求項１に記載の光通信装置。
  6. 前記第１のメタレンズのそれぞれは、前記第１のメタレンズを通過する前記レーザービームの屈折角が前記光ファイバの開口数（ＮＡ）と一致するように個別に設計されている請求項１に記載の光通信装置。
  7. 前記光ファイバから混合レーザービームを受光し、前記混合レーザービームを平行光化する第３のメタレンズ、
    前記混合レーザービームを分散させ、異なる波長の前記レーザービームを復元するグレーティング、
    前記レーザービームを受光し、前記レーザービームを屈折させ、異なる波長のそれぞれのレーザービームを受光する複数の第２の光ファイバに集光させる複数の第４のメタレンズをさらに含む請求項１に記載の光通信装置。
  8. 前記第４のメタレンズのそれぞれは、前記第４のメタレンズを通過する前記レーザービームの屈折角が前記第２の光ファイバの開口数（ＮＡ）と一致するように個別に設計される請求項７に記載の光通信装置。
  9. 前記レーザー光源は半導体レーザーである請求項１に記載の光通信装置。
  10. 前記レーザー光源と前記第１および第２のメタレンズは、第２の基板上に形成され、前記第１および第２のメタレンズは、緩衝層の上面に形成され、前記緩衝層は、前記第１および第２のメタレンズと前記第２の基板との間にある請求項１に記載の光通信装置。
  11. 前記緩衝層の厚さは、前記レーザー光源の高さが前記第１および第２のメタレンズの高さと一致するように調整されることができる請求項１０に記載の光通信装置。
  12. 前記第１の基板はガラスを含み、前記第２の基板はリン化インジウム（ＩｎＰ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、およびサファイアを含む請求項１０に記載の光通信装置。
  13. 前記第１、第２、および第４のメタレンズ、前記第３のメタレンズ、並びに前記グレーティングは、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、アンチモン化アルミニウム（ＡｌＳｂ）、砒化アルミニウム（ＡｌＡｓ）、砒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）、リン化ガリウムインジウムアルミニウム（ＡｌＧａＩｎＰ）、リン化ホウ素（ＢＰ）、またはリン化ゲルマニウム亜鉛（ＺｎＧｅＰ２）を含む請求項７に記載の光通信装置。
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