JP7140784B2

JP7140784B2 - モジュラー三次元光学検知システム

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Description

本開示は、概して、例えば、自動車ライダー（ＬＩＤＡＲ）用の光集積回路に関する。

事例は、光検出および測距（ライダー）３Ｄ撮像の包括的な分野に関し、より具体的には、自律車両の環境の詳細な３Ｄマッピングに関する。
通常、２つの代替アプローチを使用して、遠隔ターゲットの座標を測定し、物体または環境の３Ｄ画像を生成する。１つ目のアプローチは、３Ｄマップに変換されたレーザーによって放射される短パルスまたは連続パルスの飛行時間測定に基づき、２つ目のアプローチは、位相変調または周波数変調可能な連続波レーザー送信機に基づいており、元の信号に対するターゲット散乱信号の距離相関位相シフトまたは周波数シフトを測定することができる。

商業的な実施の大半は、所望の範囲および精度を提供するために必要な多数のナノ秒パルス長の高ピークパワーレーザー光源による振幅変調を使用した飛行時間アプローチを使用して行われている。実施の事例には、機械的に固定されたレーザー／検出器のペアを備えた回転ヘッドを使用して、すべてヘッドアセンブリと共に回転するベロダイン（Ｖｅｌｏｄｙｎｅ）などのアプローチ（例えば、高解像度ライダーシステム、特許文献１、特許文献２も参照）と、ビームのスキャンを、１つまたは複数の高速高利得アバランシェ光検出器の使用と組み合わされた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ミラー、ガルボミラー、回転プリズム、または他の光機械スキャンソリューションを使用して実現することができるアプローチ（例えば、スペクトロラボ（Ｓｐｅｃｔｒｏｌａｂ）のスペクトロスキャン３Ｄ（Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃａｎ３Ｄ）、リーグル（Ｒｉｅｇｌ）ＵＸ１、および多数の航空ライダーデバイス）とが含まれる。上記のアプローチの欠点は、製造コストを高くする多数の個別部品が存在することである。より少ない数の部品を含む代替アプローチには、プリンストン・ライトウェイブ（ＰｒｉｎｃｅｔｏｎＬｉｇｈｔｗａｖｅ）のライダーカメラなどのピクセルレベルの時間ゲーティングを提供することができる検出器アレイ（例えば、単一光子検出器を含むライダーシステム、特許文献３）の使用が含まれる。このようなシステムの主な欠点は、特殊なインジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）高速高感度検出器アレイの高コストと製造の困難さである。

チャープ周波数振幅変調技術と組み合わせたコヒーレントなナノフォトニック撮像器がアフラトウニ（Ａｆｌａｔｏｕｎｉ）他（非特許文献１，特許文献４も参照）によって提案され、かつ短距離、高解像度３Ｄ撮像のための少数のピクセルに対して実証されたが、多数のピクセルに対するスケーラビリティについては対処されていない。

長距離高解像度システムに特に重要な３Ｄ撮像システムの別の側面には、出射光ビームの形状を制御する機能を含むことができる。受信側の焦点面アレイを使用する短距離システムの場合、キャプチャするシーン全体の広角照明を使用することができる。所望の範囲が増加すると、焦点面アレイの各ピクセルで十分な散乱光子を受信するために、出射ビームの発散を低減して、ターゲットの表面のパワー密度を増加させる必要が生じる。システムの広い視野と所望の範囲を達成するために必要な低発散性の必要性とを調和させるために、目標ランドスケープの表面上で光ビームを動的に成形およびスキャンする機能が必要となり得る。いくつかのアプローチが商業的に使用されているか、または研究論文で提案されている。アプローチは典型的に２つのカテゴリ：ａ）１つ目がランドスケープ上で低発散（またはコリメート）ビームをスキャンする二次元スキャンミラーであって、ピエゾドライブまたは微小電気機械システムによって駆動される二次元スキャンミラーに基づくもの、ｂ）２つ目がアレイ内の各アンテナの出射信号の位相または波長を調整することにより、光信号の整形および方向を制御することができるマイクロアンテナの光フェーズドアレイに基づくもの、に分類される。ミラーベースのアプローチは、典型的に速度および信頼性の問題に直面するが、光フェーズドアレイは、光領域の電磁波に対して実施することが技術的に非常に困難であることが証明されている。

米国特許第８７６７１９０号明細書米国特許第７９６９５５８号明細書米国特許出願公開第２０１５／０１９２６７６号明細書米国特許出願公開第２０１４／００７１２４９号明細書

フィロス・アフラトゥーニ（Firooz Aflatouni）、ベフロス・アビリ（Behrooz Abiri）、アンガド・レキ（Angad Rekhi）、アリ・ハジミリ（Ali Hajimiri）、「コヒーレント撮像器（Coherent Imager）」、オプティクスエキスプレス（Optics Express）、２０１５年、２３巻、第４号、ｐ５１１７

事例としては、成熟した製造プラットフォーム上のオンチップ集積を使用することにより、従来のライダーアーキテクチャの欠陥を克服し、スケーラビリティおよび実用的な集積の問題に対処するアーキテクチャが含まれる。さらに、光フェーズドアレイの速度および信頼性の利点をすべて備えながら、集積プラットフォームでの実施の困難性が大幅に軽減される、新規な全固体ビームステアリングアプローチが提案される。最後に、光フェーズドアレイに関する新規なアーキテクチャが提案される。例示的な３Ｄ光学検知システムは、光ファイバネットワークを介して接続されたモジュールを有するモジュラーアーキテクチャを含む。ファイバ結合のモジュラーアーキテクチャにより、図１に示すように、自動車プラットフォーム内でのシステムの集積化が容易になり、システムの電力およびスペースを消費する部品が要素１１内において中央に位置し、かつ車両の設計要素に悪影響を与えないため、設計上の制約が排除される。分散要素１２は、光ファイバおよび電気接続１３を介して中央要素に結合されている。

光信号生成モジュールは、規定のスペクトル特性および電力特性を有するレーザー光を生成する。光は、光ファイバを介して光信号処理モジュールに送信することができる。光信号処理モジュールは、複数の受動および能動的光学機能を実行して、調整された振幅、位相、スペクトル特性を有する１つまたは複数の信号を生成する光集積回路（ＰＩＣ：ｐｈｏｔｏｎｉｃｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔ）を例として含む。光信号処理モジュールによって処理された複数の光信号は、光ファイバを介して車両の周囲に配置されたビームステアリングユニットに送信される。ステアリングユニットは、複数の光ビームをターゲットに向ける。各ビームステアリングユニットは、出射光信号の水平角度および垂直角度を制御する。センサのアレイを含み、かつコヒーレント検出技術を使用する受信機ＰＩＣによって戻り光信号を検出することができる。センサのアレイによって電気信号に変換された光信号は、電子信号処理ユニットによって処理され、ターゲットの位置および速度に関する情報を定量化することができる。一つの事例では、使用される光信号は、より高い最大許容露光限界と低いバックグラウンド光学ノイズの利点を得るために、１５３０ｎｍから１５６５ｎｍの範囲とすることができる。一つの事例では、送信機および受信機ＰＩＣは、シリコンフォトニクス（ＳｉｌｉｃｏｎＰｈｏｔｏｎｉｃｓ）プラットフォームを使用して実施される。モジュラー構造のブロック図の説明が図２に示される。

一態様では、本開示は、周波数チャープ光ビームを提供するための半導体光回路を特徴とすることができる。半導体光回路は、光源からの光ビームを提供するなどのための連続波光源カプラを含むことができる。半導体光回路は、連続波光源カプラから光ビームを受信し、光ビームを第１の部分と第２の部分とに分割するように構成される結合要素を含むこともできる。半導体光回路は、分割された光ビームの第１の部分を受信し、第１の部分の同相変調を提供するように構成される第１の変調器を含むこともできる。半導体光回路は、第１の変調器と並列の第２の変調器も含むことができ、第２の変調器は、分割された光ビームの第２の部分を受信し、第２の部分の直交変調を提供するように構成することができる。半導体光回路は、第１の変調器および第２の変調器の出力を受信して合成して周波数チャープ光ビームを形成するように構成される出力カプラを含むこともできる。半導体光回路は、周波数チャープ光ビームのＮ個の部分を受信するように構成することができるマルチプレクサを含むこともでき、Ｎ個の部分の個々の１つが出力カプラによって提供される。半導体光回路は、光ビームを受信し、光ビームをＮ個の異なる結合要素に提供するように構成することができるデマルチプレクサを含むこともできる。マルチプレクサは、マルチモード干渉導波路またはスターカプラと組み合わされた回折格子を含むことができる。半導体光回路は、出力カプラの出力におけるバイアス移相器を含むこともでき、バイアス移相器は、周波数チャープ光ビームの位相を調整するように構成することができる。バイアス移相器は、第１の変調器を出射する光と第２の変調器を出射する光との間に位相オフセットを提供するように構成することができる。光ビームは、導波路断面に対応する非線形効果に関する発生パワー未満のパワーを有することができる。光ビームの出力は約５０ｍＷ未満である。光回路はシリコンを含むことができる。第１の変調器および第２の変調器は、ＰＮ接合またはＰＩＮ接合を含むことができる。半導体光回路は、バイアス移相器を調整するために使用することができるフィードバック信号を提供するように構成することができるタップカプラおよびフォトダイオードを含むこともできる。第１の変調器および第２の変調器は、熱光学変調器、注入変調器、または空乏変調器を含むことができる。光ビームの波長は、約１３００ｎｍ～１６００ｎｍの範囲とすることができる。半導体光回路は、化合物半導体を含むことができる。

一態様では、本開示は、周波数チャープ光ビームを提供するための方法を特徴とすることができる。方法は、光ビームを提供するなどのための連続波光源を使用することを含むことができる。方法は、光ビームを平面導波路に結合し、光ビームを第１の部分と第２の部分に分割することを含むこともできる。方法は、分割された光ビームの第１の部分を同相変調することを含むこともできる。方法は、分割された光ビームの第２の部分を直交変調することを含むこともできる。方法は、分割された光ビームの変調された第１の部分と分割された光ビームの変調された第２の部分とを合成して、周波数チャープ光ビームを形成することを含むこともできる。方法は、周波数チャープ光ビームの位相を調整するなどのための、合成された光ビームの位相シフトを提供することを含むこともできる。方法は、分割された光ビームのＮ個の変調された光ビーム間の相対位相オフセットを低減することを含むこともできる。方法は、光ビームのパワーを、非線形効果の発生が起きる、導波路断面に対応するパワーレベル未満に低減することを含むこともできる。方法は、非線形損失を減らすなどのために、光ビームのパワーを約５０ｍｗ未満に低減することを含むこともできる。方法はまた、複数の周波数チャープを周波数チャープ光ビームにおいて同時にまたは順次生成することを含むことができる。

一態様では、本開示は、周波数チャープ光ビームを提供するための半導体光回路を特徴とすることができる。半導体光回路は、光源からの光ビームを提供するための連続波光源カプラを含むことができる。半導体光回路は、複数の結合要素も含むことができ、各個々の結合要素は、連続波光源から光ビームを受信し、光ビームを第１の部分と第２の部分に分割するように構成することができる。半導体光回路は、複数の第１の変調器も含むことができ、複数の第１の変調器の個々の１つは、分割された光ビームの対応する第１の部分を受信し、対応する第１の部分の同相変調を提供するように構成することができる。半導体光回路は、複数の第２の変調器も含むことができ、複数の第２の変調器の個々の１つは、分割された光ビームの対応する第２の部分を受信し、対応する第２の部分の直交変調を提供するように構成することができる。半導体光回路は、複数の移相器を含むこともでき、複数の移相器の個々の１つは、再結合の前に対応する周波数チャープ光ビームの位相を調整するように構成することができる。半導体光回路は、複数の出力カプラも含むことができ、複数の出力カプラの個々の１つは、対応する第１の変調器および対応する第２の変調器の対応する出力を受信して合成して、周波数チャープ光ビームを形成するなどするように構成することができる。複数の出力カプラの個々の１つは、中央部分と周辺部分を有するスターカプラを含むことができ、中央部分は、周波数チャープ光ビームの中央空間部分を出力し（ｏｕｔｃｏｕｐｌｅ）、周辺部分は、周波数チャープ光ビームの周辺部分を受信機に提供することができる。半導体光回路は、複数の出力カプラから周波数チャープ光ビームのＭ個の部分を受信するように構成することができるマルチプレクサを含むこともできる。半導体光回路はまた、光ビームを受信し、Ｎ個の異なる結合要素に光ビームを提供するように構成することができるデマルチプレクサを含むことができ、ＮはＭより大きくすることができる。分割された光ビームの第１の部分および分割された光ビームの第２の部分は直線偏光される。分割された光ビームの対応する第１の部分および分割された光ビームの対応する第２の部分は、直線偏光される。出力カプラは、受信機に向かって伝搬する第１の周波数チャープ光ビームとターゲットに向かって伝搬する第２の周波数チャープ光ビームを提供するように構成することができる。複数の出力カプラの個々の１つは、受信機に向かって伝搬する第１の周波数チャープ光ビームとターゲットに向かって伝搬する第２の周波数チャープ光ビームを提供するように構成することができる。

一態様では、本開示は、複数の並列周波数チャープ光ビームを提供するための半導体光回路を特徴とすることができる。半導体光回路は、光源からの光ビームを提供するなどのための連続波光源カプラを含むことができる。半導体光回路は、光ビームをいくつかの光ビームに分離するなどためのデマルチプレクサを含むこともできる。半導体光回路は、複数の結合要素を含むこともでき、各個々の結合要素は、複数の光ビームの１つを受信し、受信した光ビームを第１の部分と第２の部分に分割するように構成することができる。半導体光回路は、複数の第１の変調器も含むことができ、複数の第１の変調器の個々の１つは、分割された光ビームの対応する第１の部分を受信し、対応する第１の部分の同相変調を提供するように構成することができる。半導体光回路は、複数の第２の変調器も含むことができ、複数の第２の変調器の個々の１つは、分割された光ビームの対応する第２の部分を受信し、対応する第２の部分の直交変調を提供するように構成することができる。半導体光回路は、複数の移相器を含むこともでき、複数の移相器の個々の１つは、再結合の前に対応する周波数チャープ光ビームの位相を調整するように構成することができる。半導体光回路は、複数の出力カプラを含むこともでき、複数の出力カプラの個々の１つは、対応する第１の変調器と対応する第２の変調器の対応する出力を受信して合成して、周波数チャープ光ビームを形成するように構成することができる。半導体光回路は、光集積回路から光を出力し、光ファイバリンクに入力するなどのための複数の連続波光カプラを含むこともできる。

一態様では、本開示は、光ビームの周波数および位相の検出を提供するための光回路を特徴とすることができる。光回路は、自由空間光ビームの一部を受信するように構成することができる複数の格子カプラを含むことができる。光回路は複数の信号ミキサを含むこともでき、個々の信号ミキサは、対応する格子カプラからの自由空間光ビームの一部と、局部発振器光ビームとを受信するように構成することができ、個々の信号ミキサは、自由空間光ビーム場と局部発振器光ビーム場との合計に対応する第１の出力と、自由空間光ビーム場と局部発振器光ビーム場との間の差に対応する第２の出力とを提供するなどのために構成することができる。光回路は、複数の検出器対を含むことができ、各検出器対は、信号ミキサに対応し、かつ信号ミキサの２つの出力から光ビームを受信する。複数の格子カプラおよび複数の信号ミキサは、Ｎ個のグループに分割することができ、Ｎ個のグループの各々は、Ｍ個の格子カプラおよびＭ個の信号ミキサを有する。局部発振器信号は、複数の信号ミキサの各々に実質的に同時に供給される。局部発振器信号は、複数の信号ミキサの各々に順次供給される。光回路は、第１の出力を第１の電気信号に変換する第１の検出アームと、第２の出力を第２の電気信号に変換する第２の検出アームとを含むこともできる。第１の電気信号と第２の電気信号との間の差を使用して、ノイズが低減された検出信号を提供することができる。複数の格子カプラの格子周期、デューティーサイクル、または二次元トポロジーは、受信した自由空間光の異なる入射角に対応するなどのために、光回路上の位置とともに変化することができる。複数の格子カプラの第１のサブセットは、ｍ次回折次数に対応する自由空間光を結合するように構成することができ、複数の格子カプラの第２のサブセットは、ｎ次回折次数に対応する自由空間光を結合するように構成することができる。一対の複数の格子カプラは、互いに隣接して配置され、かつ異なる向きを有することができる。光回路はシリコンを含むことができる。光ビームの波長は、約１３００ｎｍ～１６００ｎｍの範囲とすることができる。複数の格子カプラは、自由空間光ビームに対応する波長範囲および角度範囲の結合を増加させ、自由空間光ビームに対応する波長範囲および角度範囲の外側の光の結合を減少させるように選択された格子周期、デューティーサイクル、または二次元トポロジーを含むことができる。

一態様では、本開示は、光集積回路を使用して光ビームの周波数および位相を検出するための方法を特徴とすることができる。方法は、格子カプラを使用して自由空間光ビームの一部を受信することを含むことができる。方法は、局部発振器と、格子カプラからの自由空間光ビームの受信した一部とを信号ミキサに提供することを含むこともできる。方法は、自由空間光ビーム場と局部発振器光ビーム場との合計に対応する第１の出力と、自由空間光ビーム場と局部発振器光ビーム場との間の差に対応する第２の出力とを提供することを含むこともできる。方法は、局部発振器を複数の信号ミキサに実質的に同時に提供することを含むこともできる。方法は、局部発振器を複数の信号ミキサに順次提供することを含むこともできる。方法はまた、第１の出力を第１の電気信号に変換し、第２の出力を第２の電気信号に変換することを含むことができ、第１の電気信号と第２の電気信号との間の差を使用して、ノイズが低減された検出信号を提供することができる。方法は、複数の格子カプラを提供することも含み、複数の格子カプラの格子周期、デューティーサイクル、または二次元トポロジーは、受信した自由空間光の異なる入射角に対応するために、光回路上の位置とともに変化する。方法は、格子カプラを使用してｍ次回折次数に対応する自由空間光を結合し、格子カプラに隣接する別の格子カプラを使用してｎ次回折次数に対応する自由空間光を結合することを含むこともできる。方法は、複数の信号ミキサのサブセットに対して自由空間光ビームの対応する部分を受信すること、および複数の信号ミキサのサブセットによって提供される電気信号を同時に処理することを含むこともできる。方法は、複数のビート周波数または位相を同時にまたは順次検出することを含むこともできる。方法は、異なる波長の自由空間光ビームを同時に受信することを含むこともできる。

一態様では、本開示は、光ビームの周波数および位相の検出を提供するための光電子回路を特徴とすることができる。光電子回路は、自由空間光ビームの一部を受信するように構成することができる複数の格子カプラを含むことができる。光電子回路は、複数の信号ミキサを含むこともでき、個々の信号ミキサは、対応する格子カプラからの自由空間光ビームの一部と、局部発振器光ビームとを受信するように構成することができ、個々の信号ミキサは、自由空間光ビーム場と局部発振器光ビーム場との合計に対応する第１の出力と、自由空間光ビーム場と局部発振器光ビーム場との間の差に対応する第２の出力を提供するように構成することができる。光電子回路は、複数の検出器対を含むこともでき、個々の検出器対は信号ミキサに対応し、信号ミキサの２つの出力を受信するように構成することができる。光電子回路は、複数のトランスインピーダンス増幅器を含むこともでき、複数のトランスインピーダンス増幅器の個々の１つは、１つの光検出器に関連付けることができる。光電子回路は、複数のアナログデジタル変換器を含むこともでき、個々のアナログデジタル変換器は検出器のサブセットに関連付けることができる。光電子回路は、複数の検出器対の複数の行および列から信号を収集するように構成することができる読み出し回路を含むこともできる。

一態様では、本開示は、光ビームの動的なステアリングを提供するための半導体光回路を特徴とすることができる。光回路は、空間的配列の格子カプラを含むことができ、個々の格子カプラが導波路から光を受信し、受信した光を屈折光学要素に向かって放射するように構成することができ、屈折光学要素は放射光をターゲット領域に向けるように構成することができる。光回路は、空間的配列の格子カプラのうちのどの格子カプラが導波路からの光を受信するかを選択することにより、ターゲット領域における光ビームの位置を調整するように構成することができる１つまたは複数の光スイッチを含むこともできる。空間的配列の格子カプラは、格子カプラの複数のグループを含むことができ、格子カプラを含む各グループが異なる方向を有することができる。空間的配列の格子カプラの範囲は、ターゲット領域における光ビームの位置の調整範囲を決定することができる。空間的配列の格子カプラにより、ターゲット領域における光ビームの位置を二次元で調整することができる。屈折光学要素は、約０．１度未満の光ビームの発散を提供するように選択された焦点距離および位置を有する光学レンズを含むことができる。１つまたは複数の光スイッチは、１つまたは複数のマッハツェンダースイッチまたはリングベースのスイッチを含むことができる。屈折光学要素は、光ビームの発散角を調整することができる。１つまたは複数の光スイッチは、熱光学効果を使用するか、または空乏モードまたは注入モードで動作するＰＮ接合またはＰＩＮ接合を使用する移相器を含むことができる。光回路はシリコンを含むことができる。光ビームの波長は、約１３００ｎｍ～１６００ｎｍの範囲とすることができる。空間的配列の格子カプラは、複数の格子カプラから光を同時に放射するように構成することができる。空間的配列の格子カプラは、格子カプラのうちの２つ以上から順次光を放射するように構成され得る。空間的配列の格子カプラの異なる格子から放射される光ビームの強度は、検出器の信号対ノイズ比を変化させるために、大きさが変化することができる。空間的配列の格子カプラの周期、デューティーサイクル、または二次元トポロジーなどの格子構造パラメータは、放射光のモードプロファイルおよび伝搬方向を変化させるために、半導体光回路上の位置とともに変化することができる。空間的配列の格子カプラの１つの格子カプラを介して出力パワーを増加させるために、複数のスイッチからの光ビームを多重化することができる。

一態様では、本開示は、光ビームの動的ステアリングを提供するための方法を特徴とすることができる。方法は、空間的配列の格子カプラを使用して、屈折光学要素に向かって光を放射することを含むことができる。方法は、屈折光学要素を使用して光をターゲット領域に向けることを含むこともできる。方法は、空間的配列の格子カプラのうちのどの格子カプラが屈折光学要素に向かって光を放射するかを選択することにより、ターゲット領域における光ビームの位置を調整することを含むこともできる。方法は、空間的配列の格子カプラを異なる方向を有する複数のグループに分割することを含むこともできる。方法は、空間的配列の格子カプラのうちのどの格子カプラが屈折光学要素に向かって光を放射するかを選択することにより、光ビームの位置を二次元で調整することを含むこともできる。方法はまた、約０．１度未満の光ビームの発散を提供するなどのために、屈折光学要素の焦点距離および位置を選択することを含むことができる。方法は、マッハツェンダースイッチまたはリングベースのスイッチを使用して、空間的配列の格子カプラのうちのどの格子カプラが屈折光学要素に向かって光を放射するかを選択することを含むこともできる。方法は、屈折光学要素を使用して光ビームの発散角を調整することを含むこともできる。

一態様では、本開示は、周波数チャープ光ビームの動的ステアリングを提供するための半導体光回路を特徴とすることができる。半導体光回路は、光源からの光ビームを提供するための連続波光源カプラを含むことができる。半導体光回路は、連続波光源カプラから光ビームを受信し、光ビームを第１の部分と第２の部分とに分割するように構成される結合要素を含むこともできる。半導体光回路は、分割された光ビームの第１の部分を受信し、第１の部分の同相変調を提供するように構成される第１の変調器を含むこともできる。半導体光回路は、第１の変調器と並列の第２の変調器も含むことができ、第２の変調器は、分割された光ビームの第２の部分を受信し、第２の部分の直交変調を提供するように構成することができる。半導体光回路は、第１の変調器および第２の変調器の出力を受信して合成して周波数チャープ光ビームを形成するように構成される出力カプラを含むこともできる。半導体光回路は、空間的配列の格子カプラも含むことができ、個々の格子カプラは、導波路から光を受信し、受信した光を屈折光学要素に向かって放射するように構成することができ、屈折光学要素は放射光をターゲット領域に向けるように構成することができる。半導体光回路は、空間的配列の格子カプラにおいて導波路からの光を受信する格子カプラを選択することにより、ターゲット領域における光ビームの位置を調整するように構成することができる１つまたは複数の光スイッチを含むこともできる。光集積回路はシリコンを含むことができる。光集積回路は化合物半導体を含むことができる。光ビームの波長は、約１３００～１６００ｎｍの範囲とすることができる。連続波光源カプラ、結合要素、第１の変調器、第２の変調器、出力カプラ、空間的配列の格子カプラ、および１つまたは複数の光スイッチは、モノリシックに集積することができる。出力カプラは１つの光スイッチに光を提供することができる。

一態様では、本開示は、周波数チャープ光ビームの動的ステアリングを提供するための半導体光回路を特徴とすることができる。半導体光回路は、光源からの光ビームを提供するための連続波光源カプラを含むことができる。半導体光回路は、複数の結合要素も含むことができ、各個々の結合要素は、連続波光源から光ビームを受信し、光ビームを第１の部分と第２の部分に分割するように構成することができる。半導体光回路は、複数の第１の変調器も含むことができ、複数の第１の変調器の個々の１つは、分割された光ビームの対応する第１の部分を受信し、対応する第１の部分の同相変調を提供するように構成することができる。半導体光回路は、複数の第２の変調器も含むことができ、複数の第２の変調器の個々の１つは、分割された光ビームの対応する第２の部分を受信し、対応する第２の部分の直交変調を提供するように構成することができる。半導体光回路は、複数の移相器を含むこともでき、複数の移相器の個々の１つは、再結合の前に対応する周波数チャープ光ビームの位相を調整するように構成することができる。半導体光回路は、複数の出力カプラを含むこともでき、複数の出力カプラの個々の１つは、対応する第１の変調器と対応する第２の変調器の対応する出力を受信して合成して、周波数チャープ光ビームを形成するように構成することができる。半導体光回路は、空間的配列の格子カプラも含むことができ、個々の格子カプラは、導波路から光を受信し、受信した光を屈折光学要素に向かって放射するように構成することができ、屈折光学要素は放射光をターゲット領域に向けるように構成することができる。半導体光回路は、空間的配列の格子カプラのうちのどの格子カプラが導波路からの光を受信するかを選択することにより、ターゲット領域における光ビームの位置を調整するように構成される１つまたは複数の光スイッチを含むこともできる。複数の出力カプラの各々は、１つの光スイッチに光を提供できる。複数の出力カプラが、１つのスイッチへの入力に光を提供することができる。空間的配列の格子カプラは、複数の格子カプラから光を同時に放射するように構成することができる。

一態様では、本開示は、周波数チャープ光ビームを提供し、周波数チャープ光ビームを受信するための半導体光回路を特徴とすることができる。半導体光回路は、光源からの光ビームを提供するための連続波光源カプラを含むことができる。半導体光回路は、連続波光源カプラから光ビームを受信し、光ビームを第１の部分と第２の部分とに分割するように構成される結合要素を含むこともできる。半導体光回路は、分割された光ビームの第１の部分を受信し、第１の部分の同相変調を提供するように構成される第１の変調器を含むこともできる。半導体光回路は、第１の変調器と並列の第２の変調器も含むことができ、第２の変調器は、分割された光ビームの第２の部分を受信し、第２の部分の直交変調を提供するように構成することができる。半導体光回路は、第１の変調器および第２の変調器の出力を受信して合成して周波数チャープ光ビームを形成するように構成される出力カプラを含むこともできる。半導体光回路は、屈折要素を介して光ビームをターゲット領域に向けるように構成することができる結合要素を含むこともできる。半導体光回路は、ターゲット領域からの自由空間光ビームの一部を受信するように構成することができる複数の格子カプラを含むこともできる。半導体光回路は、複数の信号ミキサを含むこともでき、個々の信号ミキサは、対応する格子カプラからの自由空間光ビームと、局部発振器光ビームの一部とを受信するように構成することができ、個々の信号ミキサは、自由空間光ビーム場と局部発振器光ビーム場との合計に対応する第１の出力と、自由空間光ビーム場と局部発振器光ビーム場の差に対応する第２の出力を提供するように構成することができる。半導体光回路は、複数の検出器対も含むことができ、各検出器対は、信号ミキサに対応し、かつ信号ミキサの２つの出力から光ビームを受信する。屈折要素は、シーン全体を同時に照明するために広い発散性を有することができる。屈折要素は、約３０度から５０度の範囲の発散を有することができる。半導体光回路は、屈折要素によってコリメートされた光ビームをスキャンするように構成することができる微小電気機械（ＭＥＭＳ）ミラーまたはガルボミラーを含むこともできる。Ｍ個のピクセルの受信機ブロックは、ＭＥＭＳまたはガルボミラーステアリング機構と関連する局部発振器光を受信し、ターゲット領域からの自由空間光ビームを受信する格子カプラに局部発振器光を提供するなどのために構成することができる。

一態様では、本開示は、周波数チャープ光ビームを動的にステアリングするための方法を特徴とすることができる。方法は、連続波光源を使用して光ビームを提供することを含むことができる。方法は、光ビームを平面導波路に結合し、光ビームを第１の部分と第２の部分に分割することを含むこともできる。方法は、分割された光ビームの第１の部分を同相変調することを含むこともできる。方法は、分割された光ビームの第２の部分を直交変調することを含むこともできる。方法は、分割された光ビームの変調された第１の部分と分割された光ビームの変調された第２の部分とを合成して、周波数チャープ光ビームを形成することを含むこともできる。方法は、空間的配列の格子カプラを使用して、屈折光学要素に向かって周波数チャープ光ビームを放射することを含むこともできる。方法は、屈折光学要素を使用して、周波数チャープ光ビームをターゲット領域に向けることを含むこともできる。方法は、空間的配列の格子カプラのうちのどの格子カプラが屈折光学要素に向かって光を放射するかを選択することにより、ターゲット領域の周波数チャープ光ビームの位置を調整することも含み得る。

一態様では、本開示は、周波数チャープ光ビームを提供し、光集積回路を使用して光ビームの周波数および位相を検出するための方法を特徴とすることができる。方法は、連続波光源を使用して光ビームを提供することを含むことができる。方法は、光ビームを平面導波路に結合し、光ビームを第１の部分と第２の部分に分割することを含むこともできる。方法は、分割された光ビームの第１の部分を同相変調することを含むこともできる。方法は、分割された光ビームの第２の部分を直交変調することを含むこともできる。方法は、分割された光ビームの変調された第１の部分と分割された光ビームの変調された第２の部分とを合成して、周波数チャープ光ビームを形成することを含むこともできる。方法は、空間的配列の格子カプラを使用して、屈折光学要素を介して周波数チャープ光ビームをターゲット領域に向かって放射することを含むこともできる。方法は、格子カプラを使用してターゲット領域からの自由空間光ビームの一部を受信することを含むこともできる。方法は、局部発振器と、格子カプラからの自由空間光ビームの受信した一部とを信号ミキサに提供することを含むこともできる。方法は、自由空間光ビーム場と局部発振器光ビーム場との合計に対応する第１の出力と、自由空間光ビーム場と局部発振器光ビーム場との間の差に対応する第２の出力とを提供することを含むこともできる。

一態様では、本開示は、周波数チャープ光ビームを提供および受信するための半導体光回路を特徴とすることができる。半導体光回路は、光源からの光ビームを提供するための連続波光源カプラを含むことができる。半導体光回路は、連続波光源カプラから光ビームを受信し、光ビームを第１の部分と第２の部分とに分割するように構成される結合要素を含むこともできる。半導体光回路は、分割された光ビームの第１の部分を受信し、第１の部分の同相変調を提供するように構成される第１の変調器を含むことができる。半導体光回路は、第１の変調器と並列の第２の変調器を含むことができ、第２の変調器は、分割された光ビームの第２の部分を受信し、第２の部分の直交変調を提供するように構成される。半導体光回路は、第１の変調器および第２の変調器の出力を受信して合成して周波数チャープ光ビームを形成するように構成される出力カプラを含むことができる。半導体光回路は、空間的配列の格子カプラを含むことができ、個々の格子カプラは、出力カプラから周波数チャープ光ビームを受信し、受信した光を屈折光学要素に向かって放射するように構成することができ、屈折光学要素は、放射光をターゲット領域に向けるように構成することができる。半導体光回路は、空間的配列の格子カプラのうちのどの格子カプラが出力カプラからの光を受信するかを選択することにより、ターゲット領域における光ビームの位置を調整するように構成することができる１つまたは複数の光スイッチを含むことができる。半導体光回路は、ターゲット領域からの自由空間光ビームの一部を受信するように構成することができる複数の格子カプラを含むことができる。半導体光回路は、複数の信号ミキサを含むことができ、個々の信号ミキサは、対応する格子カプラからの自由空間光ビームの一部と局部発振器光ビームとを受信するように構成することができ、個々の信号ミキサは、自由空間光ビーム場と局部発振器光ビーム場との合計に対応する第１の出力と、自由空間光ビーム場と局部発振器光ビーム場との間の差に対応する第２の出力を提供するように構成することができる。半導体光回路は、複数の検出器対を含むことができ、各検出器対は、信号ミキサに対応し、かつ信号ミキサの２つの出力から光ビームを受信する。光源によって提供される光ビームは、約１３００～１６００ｎｍの範囲の波長を有することができる。半導体光集積回路のすべてのコンポーネントは、モノリシックに集積することができる。Ｍ個のピクセルの受信機ブロックは、ステアリング機構と関連する局部発振器光を受信して、ターゲット領域から受信した局部発振器光と自由空間光との両方を提供するように構成することができる。１つまたは複数のスイッチは、１つの優先方向に向けられた光ビームのパワーを最大化などをするように構成することができる。１つまたは複数の光スイッチは、光を複数の格子カプラに同時に提供して、ターゲット領域の複数の領域を同時に照明するように構成することができる。ターゲット領域の照射領域に対応する光ビームの強度は、複数の検出器対からのフィードバックに基づいて調整することができる。半導体光集積回路はシリコンを含むことができる。半導体光集積回路は化合物半導体を含むことができる。

一態様では、本開示は、振幅変調光ビームを提供し、複数の光ビームを検出するための半導体光回路を特徴とすることができる。半導体光回路は、連続波光源から光ビームを受信するように構成することができる結合要素を含むことができる。半導体光回路は、受信した光ビームを振幅変調するように構成することができる複数の振幅変調器を含むこともできる。半導体光回路は、振幅変調された光ビームを半導体光回路からターゲット領域に向かって出力するように構成することができる結合要素を含むこともできる。半導体光回路は、ターゲット領域からの自由空間光ビームの一部を受信するように構成することができる複数の格子カプラを含むこともできる。半導体光回路は、複数の信号振幅変調器も含むことができ、複数の信号振幅変調器の個々の１つは、対応する格子カプラから自由空間光ビームの一部を受信し、対応する検出器の飽和を低減するために光ビームを減衰させるように構成することができる。半導体光回路は窒化ケイ素を含むことができる。半導体光回路はシリコンを含むことができる。半導体光回路は化合物半導体を含むことができる。複数の信号振幅変調器の個々の信号変調器は、対応する検出器の飽和を低減するなどのために光ビームを減衰させ、かつゲート検出の時間ウィンドウを規定するように構成することができる。検出器と対応する信号振幅変調器との間に検出器によって測定された光ビームの強度を飽和レベル以下に調整するなどのためのフィードバックループを確立することができる。半導体光回路は、複数の格子カプラを含むこともでき、複数の格子カプラの格子周期、デューティーサイクルまたは二次元トポロジーは、受信した自由空間光ビームの異なる入射角に対応するために、半導体光回路上の位置とともに変化する。半導体光回路は、複数の格子カプラを含むこともでき、複数の格子カプラの格子周期、デューティーサイクル、または二次元トポロジーは、自由空間光ビームに対応する波長範囲および角度範囲の結合を増加させ、自由空間光ビームに対応する波長範囲および角度範囲の外側の光の結合を減少させるように、選択することができる。自由空間光ビームの波長は、約１３００ｎｍ～１６００ｎｍの範囲とすることができる。複数の検出器は、線形モードまたはガイガーモードで動作する少なくとも１つのアバランシェフォトダイオード検出器を含むことができる。複数の信号振幅変調器の個々の１つおよび複数の振幅変調器の個々の１つは、ＰＮ接合またはＰＩＮ接合、または加熱要素を含むことができる。

一態様では、本開示は、振幅変調光ビームを提供し、複数の光ビームを検出するための半導体光回路を特徴とすることができる。半導体光回路は、連続波光源から光ビームを受信するように構成することができる結合要素を含むことができる。半導体光回路は、受信光ビームを変調し、振幅変調光ビームを提供するように構成することができる複数の振幅変調器を含むこともできる。半導体光回路は、振幅変調された光ビームを半導体光回路からターゲット領域に向かって出力するように構成することができる結合要素を含むこともできる。半導体光回路は、ターゲット領域からの自由空間光ビームの一部を受信するように構成することができる複数の格子カプラを含むこともできる。半導体光回路は、複数の信号振幅変調器も含むことができ、個々の信号振幅変調器は、対応する格子カプラから自由空間光ビームの一部を受信し、対応する検出器の飽和を低減するなどのために、自由空間光ビームの受信した一部を減衰するように構成することができる。半導体光回路は、複数の検出器も含むこともでき、個々の検出器は、格子カプラに対応し、可変光減衰器を介して格子カプラから自由空間光ビームの一部を受信するように構成することができる。半導体光回路は、複数のトランスインピーダンス増幅器を含むこともでき、複数のトランスインピーダンス増幅器の個々の１つは、１つの光検出器に関連付けることができる。半導体光回路は、複数の検出器対の複数の行および列から信号を収集するように構成することができる読み出し回路を含むこともできる。

一態様では、本開示は、誘導ラマン散乱により、第１の波長を有する複数の光ビームから第２の波長を有する複数の光ビームを生成するための半導体光回路を特徴とすることができる。半導体光回路は、連続波光源から光ビームを第１の波長で受信するように構成することができる結合要素を含むことができる。半導体光回路は、複数の波長選択カプラも含むことができ、複数の波長選択カプラの個々の１つは、２つの異なる波長を結合または分離するように構成することができる。半導体光回路は、複数のリング共振器を含むこともでき、複数のリング共振器の個々の１つは、ラマンシフト高調波に対応する波長で１００，０００を超えるＱ係数を提供して、第１の波長の光の一部をラマンシフト高調波に対応する第２の波長に変換するように調整することができる。半導体光回路はまた、複数のデマルチプレクサを含むこともでき、複数のデマルチプレクサの個々の１つは、ラマンシフト高調波に対応する波長を有する光ビームを同じ波長の複数の光ビームに分割するように構成することができる。半導体光回路は、複数の振幅変調器も含むこともでき、複数の振幅変調器の個々の１つは、対応するデマルチプレクサからの光ビームの一部を受信して変調するように構成することができる。半導体光回路は、複数の結合要素を含むこともでき、複数の結合要素の個々の１つは、対応する振幅変調器から受信した光ビームの一部を半導体光回路からターゲット領域に向かって出力するように構成することができる。光ビームの第１の波長は、約１３００ｎｍ～１６００ｎｍの範囲とすることができる。複数の振幅変調器の個々の１つは、ＰＮ接合またはＰＩＮ接合、または加熱要素を含むことができる。半導体光回路は窒化ケイ素を含むことができる。半導体光回路はシリコンを含むことができる。半導体光回路は化合物半導体を含むことができる。

一態様では、本開示は、振幅変調光ビームを提供し、ターゲット領域から受信した自由空間光ビームを検出するための方法を特徴とすることができる。方法は、光ビームを提供し、光ビームを半導体光回路における複数の振幅変調器に結合することを含むことができる。方法は、１つまたは複数の振幅変調器を使用して光ビームを振幅変調することを含むこともできる。方法は、振幅変調された光ビームを半導体光回路からターゲット領域に向かって出力することを含むこともできる。方法は、１つまたは複数の格子カプラを使用して、ターゲット領域からの自由空間光ビームの一部を受信することを含むこともできる。方法は、１つまたは複数の信号振幅変調器を使用して、対応する検出器の飽和を低減するために自由空間光ビームの受信した一部を減衰させることを含むこともできる。

一態様では、本開示は、誘導ラマン散乱により、第１の波長を有する複数の光ビームから第２の波長を有する複数の光ビームを生成するための方法を特徴とすることができる。方法は、光ビームを第１の波長で提供し、２つの異なる波長を結合または分離するように構成される波長選択カプラに光ビームを結合することを含むことができる。方法は、リング共振器を使用して、ラマンシフト高調波に対応する波長で１００，０００を超えるＱ係数を提供するようにリング共振器を調整し、リング共振器を使用して、第１の波長の光の一部をラマンシフト高調波に対応する第２の波長に変換することを含むこともできる。方法はまた、ラマンシフトされた高調波に対応する波長を有する光ビームを、同じ波長の複数の光ビームに分割することを含むことができる。方法は、１つまたは複数の振幅変調器を使用して、分割された光ビームを振幅変調することを含むこともできる。方法は、１つまたは複数の振幅変調器から受信した光ビームを半導体光回路からターゲット領域に向かって出力することを含むこともできる。

一態様では、本開示は、連続的に可変の遠方場（ｆａｒｆｉｅｌｄ）パターンを有する光ビームを提供するための半導体光回路を特徴とすることができる。半導体光回路は、連続波光源から光ビームを受信するように構成することができる結合要素を含むことができる。半導体光回路は、光ビームをＮ個の光ビームに分割するように構成することができる１つまたは複数のビームスプリッタを含むこともできる。半導体光回路は、Ｎ個の光ビームの各々の位相を制御するように構成することができる複数の位相変調器を含むこともできる。半導体光回路は、複数のエバネッセント垂直カプラも含むことができ、各カプラは、光ビームを垂直方向に隣接する導波路層に結合するように構成することができる。半導体光回路は、位相変調された光ビームを半導体光回路からターゲット領域に向かって出力するように構成することができる複数の光カプラを含むこともできる。複数の光カプラは、Ｍ個のサブセットに分割することができ、Ｍ個のサブセットの各々は、異なる垂直導波路層に存在することができる。半導体光回路は窒化ケイ素を含むことができる。半導体光回路はシリコンを含むことができる。半導体光回路は化合物半導体を含むことができる。自由空間光ビームの波長は、約１３００ｎｍ～１６００ｎｍの範囲とすることができる。複数の位相変調器の個々の１つは、ＰＮ接合またはＰＩＮ接合、または加熱要素を含むことができる。複数の光カプラは、複数対の光カプラを含むことができ、各対の光カプラは、４ミクロン未満だけ離間させることができる。複数の光ビームスプリッタの数Ｐは固定にすることができ、複数の光ビームスプリッタにおける他の光ビームスプリッタは可変にすることができる。複数の光カプラからターゲットに向かって出力される複数の光ビームの位相および振幅の両方が可変にすることができる。複数の光カプラは、複数の光カプラにおける各２つの光カプラ間で等しい間隔または可変の間隔を有することができる。１つまたは複数の光検出器およびフィードバック制御ループは、所望の遠方場パターンを達成するために、複数の位相変調器ドライバにフィードバックを提供して、相対位相を調整することができる。

一態様では、本開示は、連続的に可変の遠方場パターンを有する周波数チャープ光ビームを提供するための半導体光回路を特徴とすることができる。半導体光回路は、光源からの光ビームを提供するための連続波光源カプラを含むことができる。半導体光回路は、連続波光源カプラから光ビームを受信し、光ビームを第１の部分と第２の部分とに分割するように構成することができる結合要素を含むこともできる。半導体光回路は、分割された光ビームの第１の部分を受信し、第１の部分の同相変調を提供するように構成することができる第１の変調器を含むこともできる。半導体光回路は、第１の変調器と並列の第２の変調器も含むことができ、第２の変調器は、分割された光ビームの第２の部分を受信し、第２の部分の直交変調を提供するように構成することができる。半導体光回路は、第１の変調器および第２の変調器の出力を受信して合成して周波数チャープ光ビームを形成するように構成することができる出力カプラを含むこともできる。半導体光回路は、光ビームをＮ個の光ビームに分割するように構成することができる１つまたは複数のビームスプリッタを含むこともできる。半導体光回路は、Ｎ個の光ビームの各々の位相を制御するように構成することができる複数の位相変調器を含むこともできる。半導体光回路はまた、複数のエバネッセント垂直カプラを含むことができ、複数のエバネッセント垂直カプラの個々の１つは、光ビームを隣接する導波路層に結合するように構成することができる。半導体光回路は、位相変調された光ビームを半導体光回路からターゲット領域に向かって出力するように構成することができる複数の光カプラを含むこともできる。複数の光カプラは、Ｍ個のサブセットに分割することができ、Ｍ個のサブセットの各々は、異なる垂直導波路層に存在することができる。半導体光回路は窒化ケイ素を含むことができる。半導体光回路はシリコンを含むことができる。半導体光回路は化合物半導体を含むことができる。自由空間光ビームの波長は、約１３００ｎｍ～１６００ｎｍの範囲とすることができる。複数の位相変調器の個々の１つは、ＰＮ接合またはＰＩＮ接合、または加熱要素を含むことができる。

一態様では、本開示は、連続的に可変の遠方場パターンを有する周波数チャープ光ビームを提供し、光ビームの周波数および位相を検出するための半導体光回路を特徴とすることができる。半導体光回路は、光源からの光ビームを提供するための連続波光源カプラを含むことができる。半導体光回路は、連続波光源カプラから光ビームを受信し、光ビームを第１の部分と第２の部分とに分割するように構成することができる結合要素を含むこともできる。半導体光回路は、分割された光ビームの第１の部分を受信し、第１の部分の同相変調を提供するように構成することができる第１の変調器を含むこともできる。半導体光回路は、第１の変調器と並列の第２の変調器も含むことができ、第２の変調器は、分割された光ビームの第２の部分を受信し、第２の部分の直交変調を提供するように構成することができる。半導体光回路は、第１の変調器および第２の変調器の出力を受信して合成して周波数チャープ光ビームを形成するように構成することができる出力カプラを含むこともできる。半導体光回路は、光ビームをＮ個の光ビームに分割するように構成することができる１つまたは複数のビームスプリッタを含むこともできる。半導体光回路は、Ｎ個の光ビームの各々の位相を制御するように構成することができる複数の位相変調器を含むこともできる。半導体光回路は、複数のエバネッセント垂直カプラを含むこともでき、複数のエバネッセント垂直カプラの個々の１つは、光ビームを隣接する導波路層に結合するように構成することができる。半導体光回路は、位相変調された光ビームを半導体光回路からターゲット領域に向かって出力するように構成することができる複数の光カプラを含むこともできる。半導体光回路は、自由空間光ビームの一部を受信するように構成される複数の格子カプラを含むこともできる。半導体光回路は、複数の信号ミキサを含むこともでき、個々の信号ミキサは、対応する格子カプラからの自由空間光ビームと、局部発振器光ビームの一部とを受信するように構成することができ、個々の信号ミキサは、自由空間光ビーム場と局部発振器光ビーム場との合計に対応する第１の出力と、自由空間光ビーム場と局部発振器光ビーム場の差に対応する第２の出力を提供するように構成することができる。半導体光回路は、複数の検出器対も含むことができ、各検出器対は、信号ミキサに対応し、かつ信号ミキサの２つの出力から光ビームを受信する。複数の光カプラは、Ｍ個のサブセットに分割することができ、Ｍ個のサブセットの各々は、異なる垂直導波路層に存在することができる。半導体光回路は窒化ケイ素を含むことができる。半導体光回路はシリコンを含むことができる。半導体光回路は化合物半導体を含むことができる。自由空間光ビームの波長は、約１３００ｎｍ～１６００ｎｍの範囲とすることができる。位相変調器は、ＰＮ接合またはＰＩＮ接合、または加熱要素を含むことができる。

一態様では、本開示は、連続的に可変の遠方場パターンを有する周波数チャープ光ビームを提供するための半導体光回路を特徴とすることができる。半導体光回路は、光源からの光ビームを提供するための連続波光源カプラを含むことができる。半導体光回路は、複数の結合要素も含むことができ、各個々の結合要素は、連続波光源から光ビームを受信し、光ビームを第１の部分と第２の部分に分割するように構成することができる。半導体光回路は、複数の第１の変調器も含むことができ、複数の第１の変調器の個々の１つは、分割された光ビームの対応する第１の部分を受信し、対応する第１の部分の同相変調を提供するように構成することができる。半導体光回路は、複数の第２の変調器も含むことができ、複数の第２の変調器の個々の１つは、分割された光ビームの対応する第２の部分を受信し、対応する第２の部分の直交変調を提供するように構成することができる。半導体光回路は、複数の移相器を含むこともでき、複数の移相器の個々の１つは、再結合の前に対応する周波数チャープ光ビームの位相を調整するように構成することができる。半導体光回路は、複数の出力カプラを含むこともでき、複数の出力カプラの個々の１つは、対応する第１の変調器と対応する第２の変調器の対応する出力を受信して合成して、周波数チャープ光ビームを形成するように構成することができる。半導体光回路はまた、複数の出力カプラから受信した光ビームを複数の光ビームに分割するように構成される１つまたは複数のビームスプリッタを含むこともできる。半導体光回路は、複数の光ビームの各々の位相を制御するように構成することができる複数の位相変調器を含むこともできる。半導体光回路は、複数のエバネッセント垂直カプラを含むこともでき、複数のエバネッセント垂直カプラの個々の１つは、光ビームを隣接する導波路層に結合するように構成することができる。半導体光回路は、位相変調された光ビームを半導体光回路からターゲット領域に向かって出力するように構成することができる複数の光カプラを含むこともできる。複数の光カプラは、Ｍ個のサブセットに分割することができ、Ｍ個のサブセットの各々は、異なる垂直導波路層に存在することができる。

一態様では、本開示は、連続的に可変の遠方場パターンを備えた振幅変調光ビームを提供するための半導体光回路を特徴とすることができる。半導体光回路は、光源からの光ビームを提供するための連続波光源カプラを含むことができる。半導体光回路は、受信光ビームを変調し、振幅変調光ビームを提供するように構成することができる複数の振幅変調器を含むこともできる。半導体光回路はまた、複数の出力カプラから受信した光ビームを複数の光ビームに分割するように構成することができる１つまたは複数のビームスプリッタを含むことができる。半導体光回路は、複数の光ビームの各々の位相を制御するように構成することができる複数の位相変調器を含むこともできる。半導体光回路は、複数のエバネッセント垂直カプラを含むこともでき、複数のエバネッセント垂直カプラの個々の１つは、光ビームを隣接する導波路層に結合するように構成することができる。半導体光回路は、位相変調された光ビームを半導体光回路からターゲット領域に向かって出力するように構成することができる複数の光カプラを含むこともできる。複数の光カプラは、Ｍ個のサブセットに分割することができ、Ｍ個のサブセットの各々は、異なる垂直導波路層に存在することができる。連続的に可変の遠方場パターンは、周波数チャープ光ビームの可変形状、可変方向、または可変発散を含むことができる。

本開示は、事例として、添付の図面を参照して説明される。
自動車のライダーシステムの例を示す図である。ライダーシステムの例を示す図である。レーザー光生成モジュールの例を示す図である。光集積回路の例を示す図である。光集積回路の例を示す図である。光集積回路の例を示す図である。ビームステアリングモジュールの例を示す図である。受信機光集積回路の例を示す図である。ピクセル構造の例を示す図である。ピクセル構造の例を示す図である。ピクセル構造の例を示す図である。ピクセル構造の例を示す図である。ＭＥＭＳベースのライダーシステムの例を示す図である。検出アレイの例を示す図である。ＭＥＭＳベースのライダーシステムの例を示す図である。格子カプラの例を示す図である。格子カプラの例を示す図である。トランシーバの光集積回路の例を示す図である。ビームステアリングおよびトランシーバモジュールの例を示す図である。集積ライダーシステムの例を示す図である。集積ライダーシステムの動作の例を示す図である。３Ｄカメラモジュールの例を示す図である。光集積回路の例を示す図である。光集積回路の動作の例を示す図である。２段増幅器の例を示す図である。集積ＦＭＣＷ（周波数変調連続波：ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｏｄｕｌａｔｅｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｗａｖｅ）送信機の例を示す図である。高出力ＦＭＣＷ光送信機の例を示す図である。高出力ＦＭＣＷ光送信機の例を示す図である。高出力ＦＭＣＷ光送信機の例を示す図である。高出力ＦＭＣＷ光送信機の例を示す図である。高出力ＦＭＣＷ光送信機の例を示す図である。高出力ＦＭＣＷ光送信機の例を示す図である。スターカプラにおける空間光ビームプロファイルの例を示す図である。高出力光送信機の動作の例を示す図である。Ｉ／Ｑ変調器のスタンドアロン構成の例を示す図である。コヒーレント受信機の例を示す図である。コヒーレント受信機の例を示す図である。コヒーレント受信機の例を示す図である。局部発振器の分配導波路を有するピクセルの例を示す図である。局部発振器の分配導波路を有するピクセルの例を示す図である。光集積回路の例を示す図である。光集積回路の動作の例を示す図である。トランシーバの例を示す図である。トランシーバの例を示す図である。トランシーバおよび光フェーズドアレイを含む集積システムの例を示す図である。光集積回路の例を示す図である。光集積回路の例を示す図である。ビームステアリング光集積回路の例を示す図である。ビームステアリング光集積回路の動作の例を示す図である。格子カプラのアレイの例を示す図である。光ビームの角度を制御するためのフィードバックループの例を示図である。スイッチおよび格子カプラの組み合わせの例を示す図である。スイッチおよび格子カプラの組み合わせの例を示す図である。スイッチおよび格子カプラの組み合わせの例を示す図である。光集積回路の例を示す図である。光集積回路の例を示す図である。光集積回路の例を示す図である。集積オンチップステアリング機構を含む光集積回路の例を示す図である。集積オンチップステアリング機構を含む光集積回路の例を示す図である。集積オンチップステアリング機構を含む光集積回路の例を示す図である。集積受信機アレイ、送信機、およびデジタルステアリングアレイを含む光集積回路の例を示す図である。集積受信機アレイ、送信機、およびデジタルステアリングアレイを含む光集積回路の例を示す図である。集積受信機アレイ、送信機、およびデジタルステアリングアレイを含む光集積回路の例を示す図である。光集積回路の動作の例を示す図である。光学処理モジュールの例を示す図である。光集積回路の例を示す図である。ビームステアリングモジュールの動作の例を示す図である。ピクセルアレイの例を示す図である。光集積回路用のサンプルセルの例を示す図である。光集積回路用のサンプルセルの例を示す図である。光集積回路用のサンプルセルの例を示す図である。時間領域ゲート検出の例を示す図である。光生成モジュール、送信機モジュール、および受信機モジュールを含む光集積回路の例を示す図である。光集積回路の例を示す図である。電荷制御スイッチの例を示す図である。光集積回路の例を示す図である。光集積回路の例を示す図である。フェーズドアレイアーキテクチャの例を示す図である。フェーズドアレイアーキテクチャの例を示す図である。フェーズドアレイアーキテクチャの例を示す図である。フェーズドアレイアーキテクチャの例を示す図である。フェーズドアレイアーキテクチャの例を示す図である。フェーズドアレイアーキテクチャの例を示す図である。フェーズドアレイアーキテクチャの例を示す図である。光集積回路の例を示す図である。送信機モジュールの動作方法を示す図である。バランス型受信機の動作方法を示す図である。ステアリングモジュールの動作方法を示す図である。集積ＦＭＣＷスキャン送信機の動作方法を示す図である。集積振幅変調トランシーバの動作方法を示す図である。多波長振幅変調送信機の動作方法を示す図である。

システムブロック図
図２は、一つの事例による、ライダーシステム１００を示すブロック図である。ライダーシステム１００は、レーザー光生成モジュール１０１、光信号処理モジュール１０２、複数のビームステアリングモジュール１０３、複数の検出モジュール１０４、および電子信号処理モジュール１０５を含む。レーザー光生成モジュール１０１は、規定のスペクトル特性および電力特性を有するレーザー光を生成する。光は、光ファイバを介して光信号処理モジュール１０２に送信される。光信号処理モジュール１０２は、複数の能動的およびアクティブ光学機能を実行して、調整された振幅、位相、およびスペクトル特性を有する１つまたは複数の光信号を生成する光集積回路を例として含む。送信機ＰＩＣを使用する利点には、マルチコンポーネントアプローチと比較して、光信号の複雑な処理と、低コストおよび高性能のためのさらに複雑な機能とを加える能力が含まれる。光信号処理モジュールによって処理された複数の光信号は、光ファイバを介して車両の周囲に分散された複数のビームステアリングモジュール１０３に送信される。ビームステアリングモジュール１０３は、複数の光ビームをターゲットに向ける。各ビームステアリングモジュール１０３は、出射光信号の水平角度および垂直角度を制御する。戻り光信号は、センサ５０３のアレイと、局部発振器制御および分配部５０４とを含むＰＩＣ４０８を一つの事例として含み、コヒーレント検出技術を使用する検出モジュール１０４によって検出される。一つの事例では、戻り光信号は、直接強度検出器のアレイを含む検出モジュールによって検出される。検出モジュール１０４によって電気信号に変換された光信号は、電子信号処理ユニット１０５によって処理され、ターゲットの位置および速度に関する情報が定量化される。一つの事例では、使用される光信号は、より高い最大許容露光限界と低いバックグラウンド光学ノイズの利点を得るために、１５３０ｎｍから１５６５ｎｍの範囲とすることができる。一つの事例では、送信機および受信機ＰＩＣは、シリコンフォトニクスプラットフォームを使用して実施される。自動車プラットフォームでのモジュラー構造集積化のブロック図での説明を図１に示す。一つの事例では、レーザー光生成モジュール１０１、光信号処理モジュール１０２、および電子信号処理モジュール１０５は、要素１１内において中央に位置している。一つの事例では、ビームステアリングモジュール１０３と検出モジュール１０４の各対は、要素１２内に共に配置され、光ファイバおよび電気リンク１３を介して要素１１と結合される。

モジュール
レーザー光生成モジュール
図３に示されるように、レーザー光生成モジュール１０１は、低光出力マスタ発振器と、後続の１段増幅器または２段増幅器とを含むことができる。一つの事例では、マスタ発振器は、分布帰還型（ＤＦＢ：ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザーまたは分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ：ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）レーザーなどの低出力シングル縦モードおよび横モード連続波ダイオードレーザーとすることができる。シングルモードレーザー１１１からの信号は、光ファイバ１１２を介してファイバ増幅器１１３に結合される。第１段からの出力は、ファイバ１１４を介してアイソレータ１１５および自然放射増幅光（ＡＳＥ：ａｍｐｌｉｆｉｅｄｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｅｍｉｓｓｉｏｎ）フィルタ１１６を介して第２段のファイバ増幅器１１７に導かれる。第２段の増幅器の出力は、アイソレータ１１８およびＡＳＥフィルタ１１９を介してファイバ１２０を介して導かれる。第１段の増幅器は、小信号／高利得領域で動作するシングルクラッドまたはダブルクラッドドープのファイバ増幅器とすることができ、第２段の増幅器は、飽和で動作するダブルクラッドドープのファイバ増幅器とすることができる。一つの事例では、システムの動作波長は、１５５０ｎｍ、または通信ウィンドウのＣ帯域およびＬ帯域内の任意の他の波長とすることができる。１～２ミクロンの他の波長も使用され得る。１５５０ｎｍで動作するシステムの例では、第１段のファイバ増幅器はＥｒまたはＥｒ／Ｙｂドープのファイバ増幅器とすることができ、第２段はＥｒ／Ｙｂドープのファイバ増幅器とすることができる。１５５０ｎｍ付近で信号増幅を提供するように設計されたエルビウムドープのファイバ増幅器では、ガラスに収容されたエルビウムイオンは、反転、およびその結果、１５５０ｎｍを中心とする波長帯域でのレーザー動作を実現するために原子レベル構造を有する。レーザー発光帯域（およびポンプ帯域）は、ドーパント（この場合はＥｒイオン）およびホスト材料によって決定される。レーザー光源の動作波長の変更に加えて、異なる動作波長が必要な場合、レーザー発光帯域、即ちファイバ増幅器の増幅ウィンドウを所望の波長にシフトするために、ファイバ増幅器において異なるドーパントイオン／ガラスホストの組み合わせが使用され得る。このような異なるケースの事例には、約１．９～２ミクロンの波長で動作するためのドーパントとしてツリウムイオンを使用するファイバ増幅器が含まれる。一つの事例では、マスタレーザーはシングル縦モードＤＦＢまたはＤＢＲレーザーとすることができるが、他のタイプのレーザー光源が使用されてもよい。様々な例では、他のレーザー光源または光源構成がレーザー光生成モジュールにおいて使用されてもよい。

光信号処理モジュール
レーザー光生成モジュール１０１によって生成された信号は、光ファイバ１２０を介して光信号処理モジュール１０２に送信することができ、光信号処理モジュール１０２は、マルチプレキシング、デルチプレキシング、波長選択結合、ビームスプリッティング、指向性スイッチング、偏光スプリッティング、偏光回転、アイソレーション、検出、およびレーザー波長変換などの複数の受動的および能動的光学機能を実行して、調整された振幅、位相、スペクトル特性を有する複数の光信号を生成する。光信号処理モジュールは、光電磁場の振幅および位相の所望の変調方式を実施して、測距の所望の範囲、解像度、精度を達成する役割を有する。モジュールは、個別のコンポーネントで作成されるか、光集積プラットフォームまたはＰＩＣに集積され得る。集積のための材料システムの例には、シリコンオンインシュレータ（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）、グループＩＩＩおよびグループＶ半導体、およびガラスオンシリコン（ｇｌａｓｓｏｎＳｉｌｉｃｏｎ）が含まれる。

一つの事例では、光学処理モジュール１０２は、シリコンオンインシュレータ技術を使用して構築されたＰＩＣ２００を含む。ＰＩＣＳの例を図４Ａ－４Ｃに示す。一つの事例では、信号は、格子カプラ２０１を介してＰＩＣ２００に結合され、１ｘ２のアレイのマルチモード干渉（ＭＭＩ：ｍｕｌｔｉｍｏｄｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）導波路２０２に導かれ、ＭＭＩ導波路２０２は、入力信号を複数の導波路内を伝搬する複数の信号に分割する。ＭＭＩの出力を収集する導波路２０８の各々の信号は、導波路２０６および２０７を各々伝搬する第１および第２の光信号に分割される。１つのチャネルに対応する各対では、第１の光信号を変調するために位相および振幅変調要素２０３を導波路２０６の１つに実装し、他方の導波路２０７には何ら他のコンポーネントは実装されない。位相および振幅制御は、事例のＰＩＣ３００に関する３０３および３０４などの２つの連続した個別の要素として、または事例のＰＩＣ２００に関するＩＱ変調器２０３などの両方の機能を実行する１つの要素として実施され得る。Ｓｉ導波路への電流注入、電気的または熱的に制御されるマッハツェンダー干渉計、ＩＱ変調器構成、または光場の独立した位相および振幅を実現する任意のその他の組み合わせなど、さまざまな技術が具体化され得る。一つの事例において、数ＭＨｚから２５～３０ＧＨｚの範囲の振幅変調速度を提供するために、電荷制御マッハツェンダー構成が使用され得る。規定された範囲および解像度を達成するために、異なる周波数の複数の変調信号が同時に重ね合わされてもよい。別の事例では、電荷制御位相変調器を使用して、数ＭＨｚから２５～３０ＧＨｚの周波数範囲で光場（ｏｐｔｉｃａｌｆｉｅｌｄ）の位相を変調し得る。位相および振幅制御要素の後、導波路２０６および２０７を伝搬する第１および第２の光信号は、格子カプラ２０４および２０５を各々介してＰＩＣから出力される。４チャネル用のＰＩＣの実施形態の概略図を図４Ａおよび４Ｂに示す。他の事例では、チャネルの数が増減し得る。他の事例では、入力および出力格子カプラは、断熱テーパー型導波路端部カプラ（ａｄｉａｂａｔｉｃａｌｌｙｔａｐｅｒｅｄｗａｖｅｇｕｉｄｅｅｎｄｃｏｕｐｌｅｒｓ）で置換され得る。

一つの事例では、送信機ＰＩＣは、上部シリコン層の厚さが２２０ｎｍまたは４８０ｎｍ、埋め込み酸化物層の厚さが２ミクロンのシリコンオンインシュレータで実施され得るが、５００ｎｍから１０ミクロンの範囲の上部Ｓｉ層などの他の基板が使用され得る。別の事例では、格子とファイバの結合効率を向上するために、さまざまな埋め込み酸化物の厚さと、格子セクションの埋め込み酸化物とＳｉエピ層との間にシリコンと酸化物の交互層を含む多層構造とが使用され得る。説明した事例に加えて、マルチプレクサ、デマルチプレクサ、波長選択カプラ、ビームスプリッタ、スイッチ、偏光スプリッタ、偏光回転子、アイソレータ、検出器、レーザー光源など、任意の他の受動的または能動的光学機能が送信機ＰＩＣにモノリシックに実装されるか、またはハイブリッド集積により実装され得る。

別の事例では、図４Ｃに説明されるもののような異なる構成のＰＩＣが、周波数チャープ変調方式と組み合わせて使用され得る。
ビームステアリングモジュール
図５に示すように、光学処理モジュール２００の格子２０４からの複数の第１の出力光信号の各々は、光ファイバ４０３を介してビームステアリングモジュール４０１に送信される。一つの事例では、伝送に使用されるファイバは、１５５０ｎｍのレーザー信号を搬送するシングルモードファイバとすることができる。ビームステアリングユニットの事例が図５に示される。

コリメータ４０４は、ファイバ４０３から出射する光をコリメートし、その光を固定ミラー４０５に送り、そこで光がＭＥＭＳミラー４０６に反射される。ＭＥＭＳミラー４０６は、水平方向および垂直方向にラスタリングパターンまたはリサージュパターンを実行する。１つの事例では、水平軸の周波数は１０ＫＨｚ、垂直軸の周波数は１０．２ＫＨｚであり、これらは両方ともミラーに対する共振周波数である。他の範囲が、水平および垂直に使用され得る。１つの事例では、水平軸を１０～３０ＫＨｚの範囲などの高周波で共振で駆動し、垂直軸を所望のフレームレートに応じた５０～１００Ｈｚなどの、共振周波数を大幅に下回る準静的領域で駆動することができるラスタリングパターンを使用することができる。別の事例では、両方の軸は、リサージュパターンを生成する正弦関数を使用して共振で駆動される。この場合、駆動周波数は、ミラーの物理的な構造に応じて、水平軸および垂直軸の両方に対して１０～３０ＫＨｚの範囲であってもよい。駆動周波数間の間隔によって、フレームレートが決定される。このように、水平軸と垂直軸との動作間の周波数の好ましい間隔は、ミラーの製造が容易となるより大きな間隔で所望のフレームレートを達成するために、５０～２００Ｈｚの範囲とすることができる。この周波数範囲での動作は、自動車の機械的振動の影響を受けにくい可能性がある。一つの事例では、垂直角度の範囲は２５度であり、水平角度の範囲は４０度である。出射した第１の光信号ビームはターゲットから反射され、反射された信号ビームの一部は、レンズ４０７によって収集され、検出器アレイ４０８上に合焦される。

システムでは、それぞれが１つのチャネルに対応する１つまたは複数のビームステアリングユニットが使用され得る。
検出モジュール
光ヘテロダイン検出は、検出される信号が非常に弱く、かつさまざまな光学ノイズ源の影響を受ける可能性がある場合に、有効な測定手法である。さらに、光ヘテロダイン検出によって振幅に加えて位相測定が可能になる。光ヘテロダインのセットアップでは、検出される信号の周波数に近い光周波数の局部発振器信号を、測定される信号と混合することができる。混合の結果には、２つの光信号の差に等しい周波数を有する発振成分が含まれ、発振成分の振幅は、次の式で説明するように、局部発振器の電力に比例する。

ここで、Ｒは検出器の応答性とすることができ、Ｐｓ（ｔ）は信号のパワーとすることができ、ＰＬＯ（ｔ）は局部発振器の電力とすることができ、ω_ＩＦは局部発振器と信号の間の周波数差とすることができ、θｓｉｇ（ｔ）およびθＬＯ（ｔ）は、２つの光信号の時間依存位相である。

Ｐｓ（ｔ）成分およびＰＬＯ（ｔ）成分は、光周波数で発振するため、検出器からはＤＣ成分として認識される。最後の項は、より低い中間周波数ω_ＩＦで発振する。これは、検出器で検出でき、ＰＬＯと比例するものとすることができ、これは、測定対象の弱いＰｓ（ｔ）信号を効果的に増幅する。

検出モジュール１０４は、一つの事例４０２において、コリメートレンズまたはマルチレンズ撮像アセンブリ４０７と、図６に示されるような受信機ＰＩＣ４０８とを含む。図６に示すように、受信機ＰＩＣ４０８は、Ｎ×Ｍピクセル５０３のアレイと、一つの事例では、スイッチのアレイを含むことができる局部発振器分配および制御部５０４と、格子カプラ５０１とを含む。所望の視野および解像度を提供するために、いくつかのアプローチが使用され得る。アフラトウーニ（Ａｆｌａｔｏｕｎｉ）他によって使用された１つのアプローチは、少数のピクセルを使用し、撮像器を機械的にシフトして、取得した画像の後続の処理で画像を順次生成する。このようなアプローチは、自律車両のライダーの高解像度リアルタイム画像取得要件（例えば、毎秒数百万ポイント）には商業的に実現可能ではない。所望の解像度および速度を実現するためには、５０～２００Ｈｚのフレームレートで複数のピクセルを同時にキャプチャすることができるアレイが望まれる。一つの事例では、受信機ＰＩＣ４０８は、５１２×３００ピクセルのアレイを含む。水平方向対垂直方向のピクセル数の１．５対２の比率は、自動車の応用に関して広い水平方向対垂直方向の所望の視野と相関させるために有利である。他の事例では、８５４ｘ４８０または１０２４ｘ６００、非標準形式、ピクセル設計の事例６００、７００、８００、９００などの異なるピクセル設計、および図７Ａ～７Ｄに示すような検出モジュールの事例４０２の必要とされる視野など、他の解像度が使用され得る。

第１の光信号の各々が対応するビームステアリングユニット４０１によって制御されるターゲット位置に到達すると、ターゲットから散乱された信号の一部がレンズ４０７によって収集され、受信機ＰＩＣ４０８のピクセルアレイ５０３に合焦される。格子カプラ６０１は、戻り光を平面回路に結合する。

送信機ＰＩＣ２００から出射する第２の光信号の各々は、格子カプラ５０１を介して受信機ＰＩＣ４０８の１つに結合され、断熱カプラを介して格子カプラからシングルモード導波路に導かれる。第２の光信号は、続いて、局部発振器分配および制御部５０４に導かれ、局部発振器分配および制御部５０４は、一つの事例では、ピクセルのＮｘＭアレイ５０３の所望のセクションへの第２の信号のルーティングを提供するカスケード型の１ｘ２光スイッチ５０２を含むことができる。一つの事例では、水平方向に対応するピクセルの各行は、光スイッチアレイ５０４の１つまたは複数の出力から第２の光信号を受信する。局部発振器分配および制御部５０４の１つの出力に接続されたピクセルの集合はブロックを形成し、スイッチアレイの構成はどのブロックが第２の光信号を受信するかを制御する。局部発振器分配および制御部５０４の出力からの各信号は、３ｄＢの１×２ＭＭＩスプリッタ５０５のツリーを介して、各々図６に示すような１つのセルに向かう複数の等しい強度の信号に分割される。サンプルセルの回路図が図７Ａ～７Ｄに示される。

各セル６００は、２つの格子カプラ６０１、１つの３ｄＢの１×２ＭＭＩカプラ６０２、２つの２×２ＭＭＩカプラ６０３、および４つの導波路検出器６０４を含む。第２の信号は、導波路６０５を介して１×２ＭＭＩカプラ６０２の入力に導かれ、カプラによって等しく分割される。１×２カプラ６０２の出力は、導波路６０７によって収集され、かつ２×２ＭＭＩカプラ６０３の入力ポートの１つに入力される。検出器によって受信された散乱した第１の信号は、格子カプラ６０１を介してＰＩＣに結合され、かつ導波路６０６を介して２ｘ２ＭＭＩカプラ６０３の他の入力に導かれる。２×２ＭＭＩカプラ６０３は、２×２ＭＭＩカプラの２つの出力導波路へのターゲットからの散乱した第１の信号と第２の信号を混合するように機能する。図７に示すように、２ｘ２カプラの出力は、２ｘ２ＭＭＩ６０３の各出力に１つずつ導波路検出器６０４に導かれる。コヒーレント検出技術では、バランスの取れた検出構成で２つの検出器を使用すると、ＤＣ成分が除去されるため、信号の光電流が最大となる。より具体的には、２つの検出器に入射する光場の電界は次のように記述される。

ここで、ＥｓおよびＥＬＯは信号および局部発振器の電界であり、Ｅ１およびＥ２は２つの検出器の電界である。

２つの光検出器の光電流は次のようになる。

２つの検出器の光電流を減算した後の光電流は、次の式で与えられることができる。

ここで、Ｒは検出器の応答性とすることができ、Ｐｓ（ｔ）およびＰＬＯ（ｔ）は各々信号および局部発振器の光パワーであり、ω_ＩＦは光信号の変調周波数とすることができ、θｓｉｇ（ｔ）およびθＬＯ（ｔ）は光場の時間依存位相である。ある光検出器の光電流を他の光電流から減算した後、光信号の定数（ｄｃ）成分として検出器によって見られる高速発振項Ｐｓ（ｔ）およびＰＬＯ（ｔ）は互いに相殺し、その結果は、中間周波数ω_ＩＦで発振しかつ振幅

を有する信号光電流となる。高出力ＰＬＯ成分の増幅効果に加えて、振幅を２倍にすることができるため、検出感度が向上する。

一つの事例では、導波路検出器はシリコン検出器上で成長したゲルマニウムである。セル７００、８００、および９００の代替設計が図７Ｂ～７Ｄに示されている。
ＭＥＭＳスキャナーと検出器ＰＩＣとの相関
高密度検出器アレイおよび固定局部発振器レーザー出力の場合、アレイのすべてのピクセルに常に供給する場合、ピクセルあたりの利用可能なレーザー光は低すぎるため、アレイ内のピクセル数が増加すると、性能が低下することとなる。例えば、１００ピクセルの小さなアレイの場合、受動的ＭＭＩツリーを使用して１００ｍＷレーザーを１００個の導波路に分割して１００ピクセルに局部発振器光を提供すると、各ピクセルに対して１ｍＷの局部発振器信号が提供されるが、これは適切である。アレイを１００，０００ピクセルにスケーリングする場合、１００ｍＷの光源およびすべてのピクセルに常に供給する静的ＭＭＩツリーを使用したピクセルあたりの光量は、ピクセルが受信する局部発振器信号を１マイクロワットに低下するだけであるが、ヘテロダイン測定における局部発振器の信号増幅の機能が十分に果たされない可能性があるため、検出器の性能の低下につながる。この性能の低下と、戻り信号が任意の時点で数ピクセルにのみ入射する可能性があることを考慮して、アレイ内の限られた数のピクセルのみに局部発振器光が同時に供給されるように、検出器アレイの選択セクションが一度に増感され（ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄ）得る。このアプローチでは、前述の動的な局部発振器制御手法が使用される。図８に示すように、増感ブロック、即ち、局部発振器信号が供給されるブロックとＭＥＭＳミラースキャナーの位置を相関させる必要がある。２つの同期手法が図９および図１０に記載されている。

一つの事例では、局部発振器分配および制御部５０４は、第２の光信号の一部を、戻りの第１の信号が現在入射できるアレイ１００１の１つのセクションに向ける。ターゲットの第１の信号からの散乱光がアレイ上に入射することができる位置の不連続性を検出するために、第１の信号の第２の部分を使用して、確率的アルゴリズムを使用して、ブロック１００２などのアレイ５０３の非増感セクションをサンプリングすることができる。特定のブロックを増感にするために、スイッチングブロック５０４のスイッチは、局部発振器の光を所望のブロックに向けるように構成される。散乱した第１の信号のアレイ上の入射位置の不連続性を検出すると、識別されたブロック１００２から始まる戻りの第１の信号の測定を継続するようにスイッチアレイ５０４を再構成することができる。

別の事例では、監視パルスチャネルを使用して、アレイのすべてのブロックを定期的にサンプリングして、検出器アレイ上の戻り信号の入射位置の不連続性を検出することができる。一つの事例では、パルス光信号は、１ＫＨｚの繰り返し率と１ＫＷのピーク出力を有する。サンプリング光信号の実質的により高いパワーにより、アレイの検出器は、アレイの対応するセクションにおける第２の光信号の局部発振器の存在とは無関係に、パルス信号を検出し得る。監視チャネルによって提供されるアレイ情報上の入射位置に基づいて、スイッチアレイ５０４は、戻りの第１の光信号が入射できるアレイのセクションを増感にするように構成され得る。

格子周期の入射角との相関
基本的な矩形導波路格子カプラの場合、格子の周期は次のように与えられる。

ここで、ｗは格子周期とすることができ、ｎは導波路内の光の実効屈折率とすることができ、λは光信号の波長とすることができ、φは格子の－１回折次数の角度とすることができる。第１の近似として、格子への結合を最大化するために、格子の周期は、格子上の特定の位置に対応する戻りの第１の信号に対する格子上の入射角と一致するように、格子の－１回折次数の結合角などのように選択することができる。

戻りの第１の信号を各ピクセルの平面回路に結合する結合格子は、格子への入射角、従ってアレイの表面への入射角に非常に敏感である。入射角が格子が設計された入射角から１～２度以上逸脱すると損失が増加するため、すべてのピクセルに対して同じ構造の格子を使用すると、最適な位置から離れているアレイの領域で高い結合損失が発生する。一つの事例として、格子の結合効率は、最適な角度から１０度ずれた角度に対して１０ｄＢ低下し得る。検出器の視野は数十度であり得るため（一つの事例では５０度）、最適化されていない格子での結合は、性能の低下につながり得る。

信号の戻り経路は、既知であり、かつコリメートレンズの中心およびアレイ上の入射位置によって定義されるため、アレイの各ピクセルへの戻り信号の入射角は既知とすることができる。アレイ上のすべての位置で格子カプラの最大結合効率を維持するために、格子は、アレイのあるセクションから別のセクションまでの周期などのさまざまなパラメータを使用して設計され得る。周期、または格子がアポダイズされている場合の格子の周期関数は、アレイの対応するセクションへのビームの入射角に応じたものであり得、かつ各ピクセルの最大結合を達成するように最適化される。基本原理を説明する簡単な図が、一定周期の格子に関する図１１に示されている。一つの事例では、アレイの中央近くに位置するセル１００３は格子構造１２０１を含み、一方、より大きな入射角に対応するアレイの端部に位置するセル１００４は格子構造１２０２を含む。一つの事例では、導波路モード波ベクトル１２０４と格子１２０１に関する－１回折次数波ベクトル１２０３との間のマッチング条件、および導波路波ベクトル１２０６と格子１２０２の－１回折次数波ベクトル１２０５との間のマッチング条件を達成するために、格子１２０２の格子周期１２０８は、ほぼ次のように与えることができ、

かつほぼ次により与えられる格子１２０１の格子周期１２０７とは異なるものとすることができる。

上記の式では、ｗ１およびｗ２は各々２つの格子の周期であり、ｎ１、ｎ２は導波路格子の実効屈折率であり、φ１およびφ２は、（第１の近似が第１の信号の結合角と一致する必要がある）２つの格子の－１回折次数の角度である。アポダイズされた格子の場合、アポダイゼーション機能は、入射角と相関させるために調整され得る。

他の応用のためのモジュラーアーキテクチャの変形例（送信機、受信機、レーザー光源のシングルチップ集積化）
上記の事例は、自動車およびその他の大型フォームファクタープラットフォームに関するものであるが、複数の光学機能のチップスケール集積アプローチにより、モジュラーシステム１００は、小型フォームファクターにおける他の応答に適用可能な汎用性を有する。一つの事例では、低コスト、先進運転支援システム（ＡＤＡＳ：ａｄｖａｎｃｅｄｄｒｉｖｅｒａｓｓｉｓｔａｎｃｅｓｙｓｔｅｍｓ）、ドローン、小型ロボット応用、他の応用に適した低フォームファクターパッケージに向けて、レーザー光生成モジュールは、１つまたは複数のチャネルを含む送信機ＰＩＣ２００、１つまたは複数のビームステアリングモジュールの事例４０１、および検出モジュールの事例４０２とともに集積される一つのみのレーザーダイオードチップを含み得る。

図１２に示される事例では、レーザー光源１３０１は、集積シリコンチップ１３００上に直接ボンディングされる。一つの事例において、集積シリコンチップ１３００は、モノリシックに集積された送信機機能および受信機機能、ならびにシリコンプラットフォーム上にボンディングされた光レーザー光源を含み得る。代替的に、レーザー光源はチップ外に存在し、格子またはエンドカプラを介してシリコンチップにファイバ結合され得る。

図１２に示す事例では、レーザー１３０１からの光信号はシリコン導波路に結合され、かつタップカプラ１３０２の入力に導かれ、タップカプラ１３０２は、光信号を振幅変調器１３０４および位相変調器１３０３を通過するように向けられる第１の信号と、センサアレイ５０３に局部発振器光を提供するためにスイッチアレイ５０４への入力に向けられる第２の信号とに分割する。第１の信号は、格子カプラ１３０５を介してチップから出力される。断熱導波路カプラが、格子カプラ１３０５の代わりに使用され得る。この事例では、送信機および受信機の機能がすべて同じチップに集積され、レーザー光源チップがシリコンチップに直接取り付けられ得る。チップ１３００は、図１３に示されるビームステアリングおよび検出モジュール１４００の一部として使用され得る。図示された事例では、格子カプラ１３０５からの第１の光信号は、レンズ１４０１によってコリメートされ、ミラー１４０２に向けられる。ミラー１４０２から反射した信号は、ＭＥＭＳミラー１４０３に向けられる。ＭＥＭＳミラー１４０３によって反射した第１の光信号は、ターゲットに向けられる。ミラーは、所望の視野をカバーするためにラスタリングパターンまたはリサージュパターンを実行する。１つの事例では、視野は垂直で２５度、水平で５０度とすることができる。ターゲットから反射した第１の光信号は、センサアレイ５０４の格子６０１によって結合され、アレイ５０４内の局部発振器と合成され、電気信号に変換される。上記の事例では、集積のためにシリコンオンインシュレータプラットフォームを使用しているが、他の事例では、ＩｎＰなどの他の材料が使用され得る。

フェーズドアレイステアリングを使用したシングルチップソリューションアーキテクチャ
図１２に示される上記の事例では、ステアリング機構は、集積された送受信機（トランシーバ）チップの外側に配置されたＭＥＭＳミラーによって提供され得る。ステアリング機構の代替アプローチは、光学マイクロアンテナまたはエミッタの光フェーズドアレイを使用することである。特定の事例では、光マイクロアンテナは光カプラとして参照することができる。光マイクロアンテナのフェーズドアレイでは、各アンテナは、導波路の外部に光を放射する格子を導波路にエッチングすることにより作成され得る。そのようなエミッタの二次元アレイ、例えば、３２ｘ３２エミッタアレイまたは６４ｘ６４エミッタアレイを使用することにより、干渉パターンが、異なるエミッタから発生する波面の重ね合わせによって遠方場において生成され得る。１つの強い中央最大値および１０ｄＢ以上抑制されたサイドローブを含む遠方場パターンが、エミッタアレイの適切に設計されたパラメータを使用して遠方場で取得される。各マイクロアンテナから放射される光の位相を制御することにより、中央の最大位置が変更されて、それにより本質的に二次元のステアリング機構が作成される。１２８ｘ１２８などのより大きなエミッタアレイ、または１６ｘ１６などのより小さなエミッタアレイが使用され得る。より大きなアレイは、より低発散のビームが生成され、サイドローブの潜在的により良好な抑制がもたらされ得るが、アンテナの制御に関連する位相器の数が増加するので、ステアリングに必要な電力がより大きくなる。１６ｘ１６などのより小さいアレイは、ビーム発散がより大きく、同じアンテナ間間隔に対するサイドローブの抑制が少ないが、消費電力がより低下する。

フェーズドアレイの利点は、例えば図１２に示すように、光フェーズドアレイをトランシーバ構造とともに集積化して、同じ半導体プラットフォーム上に３つの機能（送信機、受信機、ビームステアリング）をすべて組み込んだシングルチップのライダーソリューションを作成することができるという点にある。そのようなシングルチップソリューションの事例（例えば、集積ライダーシステム）が、図１４に示される。この事例では、レーザー１５０１からの信号は、導波路に結合され、１ｘ２ＭＭＩ導波路１５０２に向けられる。１×２ＭＭＩ導波路１５０２は、光信号を第１の光信号と第２の光信号に分割する。第１の光信号は、位相変調器１５０３および振幅変調器１５０４に向けられ、その後、１×２のＭＭＩ導波路１５０８の入力に向けられる。第２の光信号は、局部発振器信号をセンサアレイ５０３に提供するためにスイッチアレイ５０４に向けられる。１×２ＭＭＩ導波路１５０８は、第１の光信号を、２つの１×２ＭＭＩツリー１５０５に向けられた２つの等しい成分に分割する。ＭＭＩツリーは、信号を複数の等しい成分に分割する。一つの事例では、上側のＭＭＩツリー１５０５は５１２個の等しい信号出力を生成し、下側のＭＭＩツリーは５１２個の等しい信号出力を生成する。各等しい信号出力は、導波路を介して複数の位相変調器１５０９のうちの１つに向けられる。位相変調器１５０９は、２つの位相変調ブロック１５０６のうちの１つの部分である。上部ＭＭＩツリー１５０５の出力に結合された上部位相変調ブロック１５０６と、下部ＭＭＩツリー１５０５の出力に結合された下部位相変調ブロック１５０６とが設けられている。各位相変調器１５０９の出力は、マイクロアンテナ１５０７のアレイに配置された複数のマイクロアンテナのうちの１つと結合される。位相変調器１５０９の各々は、マイクロアンテナ１５０７のアレイを形成するマイクロアンテナの各々によって放射される対応する光信号の位相を独立して制御するために独立して制御され得る。

マイクロアンテナのアレイ１５０７を介してチップから放射される出射光信号の位相の分布を変化させることにより、光ビームは所望の方向に向けられ得る。光ビームの中央干渉最大値は、マイクロアンテナ１５０７のアレイによって放射される光信号の相対位相分布に基づいて位置をシフトするように制御され得る。事例が図１５に示される。マイクロアンテナのアレイ１５０７を出射する光信号のアレイに亘る第１の位相分布は、第１の光信号の遠方場における干渉パターン１６０１を生成する。マイクロアンテナのアレイ１５０７を出射する光信号のアレイに亘る第２の位相分布は、２つの位置（一方の位置は干渉パターン１６０１に関連し、他方の位置は干渉パターン１６０２に関連する）の間のビームのステアリングを正味の効果として有する第１の光信号の遠方場における干渉パターン１６０２を生成する。ターゲットによって散乱された第１の光学信号は、レンズ１６０３によって収集され、チップ１５００上のシステムのセンサアレイ５０３に向けられる。一つの事例では、チップ１５００上にシステムを作成するために使用される材料システムは、シリコンオンインシュレータとすることができ、かつ動作波長は１５５０ｎｍとすることができる。

システムブロック図
図１６は、一つの事例の光学３Ｄ撮像カメラシステム１６５０を図示する。光信号生成源は、規定のスペクトル特性および電力特性を有するレーザー光を生成することができる。光は、光ファイバを介して、または自由空間伝搬を介して光集積回路１６５１に送信される。図１６に示す３Ｄ撮像カメラシステムには、複数の受動的および能動的光学機能を実行して、調整された振幅、位相、およびスペクトル特性を有する１つまたは複数の信号を生成し、光ビームをターゲットに方向付け、センサのアレイで戻り信号を検出することができる光集積回路（ＰＩＣ）１６５１が含まれる。一つの事例では、ＰＩＣ１７５１は、図１７に示すように、送信機モジュール１７０１、ステアリングモジュール１７０２、および受信機モジュール１７０３を含むことができる。送信機ブロック、ステアリングブロック、および受信機ブロック用の電気ドライバを含む機能ブロック、ならびに同期回路１７０４は、チップ上に集積されるか、またはチップとは別個のものとすることができる。調整された振幅、位相、およびスペクトル特性を有する出射光信号は、光信号生成源および送信機モジュール１７０１によって生成され、ＰＩＣ１７００の一部であるステアリングモジュール１７０２によってターゲットに向けられる。光信号は、ＰＩＣ１７００の受信気モジュール１７０３の一部であるセンサのアレイによって電気信号に変換される。受信機モジュール１７０３によって生成された複数の電気信号は、一つの事例では画像信号プロセッサ１６５２を含むことができる電子信号処理モジュールによって処理される。ＰＩＣ１６５１によって生成された複数の電気信号を分析することにより、ターゲットの位置、速度、および反射率に関する情報が定量化される。周囲環境に関する速度、距離、および反射率情報を含むポイントクラウドを作成するソフトウェアの支援により、画像信号プロセッサ１６５２によって生成された信号に対して複数の分析が実行される。一つの事例では、使用される光信号は、より高い最大許容露光限界と低いバックグラウンド光学ノイズの利点を得るために、１５３０ｎｍから１５６５ｎｍの範囲とすることができる。一つの事例では、送信機、ステアリング、および受信機モジュールはＰＩＣの一部であり、シリコンフォトニクスプラットフォームを使用して実施される。モジュラー構造のブロック図の説明が図１６に示される。

光信号生成源
一つの事例では、光信号生成源は、シングル横モードおよびシングル縦モードを有するＤＦＢレーザーまたはＤＢＲレーザーを含むことができる。一つの事例では、光信号生成源は、長コヒーレンス長に対応する狭い線幅を有することができる。一つの事例では、レーザーの線幅は、４００ｍを超えるコヒーレンス長に対応する２５０ＫＨｚ未満とすることができる。別の事例では、１０ＫＨｚ～１０ＭＨｚの範囲の線幅を有するレーザーが使用され、出力電力は５ｍＷ～２００ｍＷの範囲とすることができる。別の事例のマスタ発振器では、２００ｍＷ～２０Ｗの範囲などの高光信号電力を実現するためにパワーアンプ構成が使用される。

一つの事例では、光信号生成源は、低光パワーのマスタ発振器とそれに続く１段の増幅器または２段の増幅器を含むことができる。一つの事例では、マスタ発振器は、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザーまたは分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）レーザーなどの低出力シングル縦モードおよび横モード連続波ダイオードレーザーを含むことができる。図１９は、一の事例の２段増幅器１９００を示す。２段増幅器１９００では、シングルモードレーザー１９０１からの信号は、光ファイバ１９０２を介してファイバ増幅器１９０３に結合される。第１段からの出力は、ファイバ１９０４を介してアイソレータ１９０５および自然放射増幅光（ＡＳＥ）フィルタ１９０６を介して第２段のファイバ増幅器に導かれる。第２段の増幅器の出力は、アイソレータ１９０８およびＡＳＥフィルタ１９０９を介してファイバを介して導かれる。第１段の増幅器は、小信号／高利得領域で動作するシングルクラッドまたはダブルクラッドドープのファイバ増幅器を含むことができ、第２段の増幅器は、飽和状態で動作するダブルクラッドドープのファイバ増幅器を含むことができる。一つの事例では、システムの動作波長は、１５５０ｎｍ、または通信ウィンドウのＣ帯域およびＬ帯域内の任意の他の波長とすることができる。１～２ミクロンの他の波長も使用され得る。１５５０ｎｍで動作するシステムの事例では、第１段のファイバ増幅器は、ＥｒまたはＥｒ／Ｙｂドープのファイバ増幅器を含むことができ、第２段にＥｒ／Ｙｂドープのファイバ増幅器を含むことができる。１５５０ｎｍ付近で信号増幅を提供するように設計されたエルビウムドープのファイバ増幅器では、ガラスに収容されたエルビウムイオンは、反転、およびその結果、１５５０ｎｍを中心とする波長帯域でのレーザー動作を実現するために原子レベル構造を含むことができる。レーザー発振帯域（およびポンプ帯域）は、ドーパント（この場合はＥｒイオン）およびホスト材料によって決定することができる。レーザー光源の動作波長の変更に加えて、異なる動作波長が必要な場合、レーザー発光帯域、即ちファイバ増幅器の増幅ウィンドウを所望の波長にシフトするために、ファイバ増幅器において異なるドーパントイオン／ガラスホストの組み合わせが使用され得る。このような異なるケースの事例には、約１．９～２ミクロンの波長で動作するためのドーパントとしてツリウムイオンを使用するファイバ増幅器が含まれる。一つの事例では、マスタレーザーは、シングル縦モードＤＦＢまたはＤＢＲレーザーを含むことができるが、他のタイプのレーザー光源が使用されてもよい。様々な例では、他のレーザー光源または光源構成がレーザー光生成モジュールにおいて使用されてもよい。一つの事例では、第２段の増幅器１９００の出力電力は、２００ｍＷから５Ｗの範囲とすることができる。

光信号処理モジュール
レーザー生成モジュールによって生成された信号は、光ファイバまたは自由空間を介して送信され、光信号処理モジュールに結合され、光信号処理モジュールは、マルチプレキシング、デルチプレキシング、波長選択結合、ビームスプリッティング、指向性スイッチング、偏光スプリッティング、偏光回転、アイソレーション、検出、およびレーザー波長変換などの複数の受動的および能動的光学機能を実行して、調整された振幅、位相、および／またはスペクトル特性を有する１つまたは複数の光信号を生成するなどを行うことができる。さらに、光信号処理モジュールは、光電磁場の振幅および／または位相の所望の変調方式を実施して、測距の所望の範囲、解像度、および精度を達成する役割を行うことができる。モジュールは、個別のコンポーネントで作成されるか、光集積プラットフォームまたはＰＩＣに集積され得る。集積のための材料システムの例には、シリコンオンインシュレータ（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）、グループＩＩＩおよびグループＶ半導体、およびガラスオンシリコン（ｇｌａｓｓｏｎＳｉｌｉｃｏｎ）が含まれる。一つの事例では、例えば、ＰＩＣであり得る光信号処理モジュール１７００は、送信機ブロック１７０１、ステアリングブロック１７０２、および受信機ブロック１７０３を含むことができる。

一つの事例では、光処理モジュールは、シリコンオンチップ技術を使用して構築されたＰＩＣを含むことができる。一つの事例では、信号は、格子カプラ、自由空間カプラを介してＰＩＣに結合されるか、またはＰＩＣの一部である送信モジュールに直接突き合わせ結合される（ｂｕｔｔｃｏｕｐｌｅｄ）。図２０は、一例の光送信機２０００を示す。光信号源２００１からの信号は、導波路を介して同相／直交（Ｉ／Ｑ）変調器２００２の入力に導かれる。Ｉ／Ｑ変調器２００２の出力からの信号は、１ｘ２ＭＭＩスプリッタ２００３によって２つの成分に分割され、一方の成分は導波路２００４を介して受信機モジュールに向けられ、他方の成分は導波路２００５を介してステアリングモジュールに向けられる。Ｉ／Ｑ変調器は、周波数ｆ_０の光信号を、周波数が長さｔ０のランプ期間中にｆ_０＋ｆ_ＩＦ１からｆ_０＋ｆ_ＩＦ２の間で線形に変化する線形周波数チャープ信号に変換する役割を有する。一つの事例では、Ｉ／Ｑ変調器の入力光信号の周波数は、１５５０ｎｍの波長に対応する約１９３．５４ＴＨｚとすることができ、ランプ長の１０マイクロ秒の間に１９３．５４ＴＨｚ＋１ＧＨｚと１９３．５４ＴＨｚ＋１１ＧＨｚの間で線形にシフトされる。１００ｎｓ～１０００ｍｓなどの他のランプ長を使用することができ、１ＭＨｚ～２００ＧＨｚなどの他の光信号波長および周波数チャープも使用することができる。周波数変調の幅は、以下の式に示すように、分解能および精度が変調帯域幅に反比例するため、所望のシステムの分解能および精度に応じて選択される。

ΔＲ＝ｃ／２Ｂ
σＲ＝Ｋｃ／Ｂ√ＳＮＲ
ここで、ΔＲは解像度を表すことができ、ｃは光の速度を表すことができ、Ｂはチャープ帯域幅を表すことができ、σＲは精度を表すことができ、ＳＮＲは信号対ノイズ比を表すことができ、Ｋはチャープ波形に応じた比例係数を表すことができる。Ｉ／Ｑ変調器２００２の一部として、マッハツェンダー干渉計またはリング変調器構成で使用することができるＳｉ導波路への電流注入または空乏化、電気的または熱的に制御の位相シフト技術などのさまざまな技術が実施され得る。一つの事例では、電荷制御位相器２００６は、Ｉ／Ｑ変調器２００２の一部である２つのマッハツェンダー変調器のアームで使用される。Ｉ／Ｑ変調器の出力が２つの成分に分割され、一方が局部発振器光を提供するために受信機モジュールに向かってチップ上に向けられ、他方がステアリングモジュールに向かってさらにターゲットに向かって送信される。一つの事例では、Ｉ／Ｑ変調器を含む送信機モジュールは、２２０ｎｍの上部シリコン厚さおよび５００ｎｍの導波路幅を有するシリコンオンインシュレータプラットフォームに実装される。導波路での高い光信号のパワー密度に関して、非線形プロセスが２光子吸収発生（ｔｗｏｐｈｏｔｏｎａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｏｎｓｅｔｓ）として知られている。シリコンは、光子のエネルギーがバンドギャップよりも低いため、１５５０ｎｍ波長で透過となることができるが、導波路の断面積が小さいなど、導波路のパワー密度が増加すると、２つの光子が協同して吸収されて、電子が価電子帯から伝導帯に遷移して、２つの光子の吸収により光信号の損失が生じる。さらに、伝導帯の電子の数が増加すると、二次効果が発生する可能性がある（伝導帯に蓄積されたキャリアによって生じる自由キャリア吸収は、光場からエネルギーを吸収する）。結果として、導波路での吸収が増加し、したがって伝搬損失も増加する可能性がある。例えば、高さが２２０ｎｍ、幅が４５０ｎｍのストリップ導波路の場合、１０ｍＷの電力では、２光子吸収発生が観察され、５０ｍＷの場合、追加の３ｄＢ／ｃｍの損失が予想される。各導波路の最大パワーは、２光子吸収によって生じる損失を最小限にするなどのために、２光子吸収の発生のしきい値以下に維持される。一つの事例では、図２１、２２、２３、２４、２５、および２６に示すように、複数の同期Ｉ／Ｑ変調器を並列に動作させることにより、出力が４００ｍＷなどの高光出力送信機が作成される。５０ｍＷ～５Ｗの範囲の出力を有するデバイスは、より少ないまたはより多い数のパラレルチャネルを使用することにより作成される。

図２１に示されるように、光信号生成源２１０１によって生成された光信号は、導波路２１０２に結合され、マルチモード干渉導波路（ＭＭＩ）２１０３の入力に向けられる。ＭＭＩ２１０３は、周波数ｆ_０の信号を周波数ｆ_０のＮ個の光信号に分割することができる。ＭＭＩ２１０３の出力からの信号は各々、光信号の周波数をｆ_０からｆ_０＋ｆ_ＩＦ１～ｆ_０＋ｆ_ＩＦ２の間の周波数にシフトすることができるＩ／Ｑ変調器２１０４を介してルーティングされる。各Ｉ／Ｑ変調器の出力は、ＭＭＩ２１０６のＮ個の入力に結合される前に、必要に応じて任意の位相補正を行うことができる位相器２１０５を介して送信される。ＭＭＩ２１０６の結合出力は、導波路２１０７を介して１×２ＭＭＩスプリッタ２１０８にルーティングされ、かつチップ上のステアリングモジュールまたは外部ステアリングコンポーネントに向かってルーティングされるプローブ光信号２１１０と、受信機ブロックに対する局部発振器を提供するためにチップ上に受信機に向かってルーティングされる１ｘ２ＭＭＩ２１０８の第２の出力２１０９とに分割される。

図２２に示す別の事例では、Ｉ／Ｑ変調器２２０３を出射する信号は、導波路のパワー密度が２光子吸収が顕著になるしきい値を超えることができる導波路セクションの長さを最小化するために、再結合されない。また、信号が再結合されないアーキテクチャは、プローブ信号がオンチップフェーズドアレイに向けられ、局所発振器信号がセンサのコヒーレントアレイの複数のピクセル部分に向けられる場合、信号がさらに分割されるため、好ましい。このアーキテクチャにより、オンチップ光経路上の部品数が減少するため、損失が減少する。例えば、シーン全体を照明するプローブ信号またはフラッシュに２軸ミラーを使用するなど、チップ外ステアリングに適した別の事例が図２３に示され、スタンドアロンの高出力送信機が図２４に示される。

別の事例では、送信機は、格子とそれに続くスターカプラを使用して実施されて、光信号生成源によって生成された高出力ビームは、シリコン層内の大きな断面に即座に広がり、したがって、２光子吸収閾値を超える高パワー密度が達成される任意のセクションを防止する。そのようなアーキテクチャの１つが図２５に示される。図２５の例は、ｆ_０＋ｆ_ＩＦ１とｆ_０＋ｆ_ＩＦ２の間の周波数を有する複数の光信号は、再結合されず、オンチップステアリングモジュールに直接送信されてターゲットに向かって送信されるプローブ信号を提供し、かつオンチップ受信機に送信されて局部発振器の光を各々提供する実施形態を示す。

シーンのチップ外ステアリングまたはフラッシュ照明のアーキテクチャを含む別の事例が図２６に示される。外部ステアリング構成では、光源からの信号は、格子カプラ２６０１を介してＰＩＣ２６００の送信機側に結合され、スターカプラ２６０２を介して導波路２６０３に、続いて周波数チャープを実行するＩ／Ｑ変調器２６０４を介してかつ任意の必要な位相調整を実行する位相要素２６０５を介して分配される。プローブ信号は、スターカプラ２６０７を介して収集され、かつ格子２６０８を介してチップから出力され、コリメーション用のレンズに向けられ、続いてステアリング用の２軸ステアリングミラーまたはフラッシュの視野／シーン全体の照明を調整するための追加レンズに向けられる。１つまたは複数の信号２６０９が受信機ブロックにルーティングされ、さらに分割されて、局部発振器光を複数のピクセルに供給することができる。フラッシュ構成では、図２８に示すように、プローブ信号が格子２６０８を介してチップから出力され、レンズまたはレンズの組み合わせで調整された発散を有することができる。一つの事例では、スターカプラ２６０２は、格子から出射するガウスプロファイルパワー分布がパラレルＩ／Ｑチャンネル２６０４間で均等に分配されるような、スターカプラの入力導波路の不等断面を使用して設計される。また、図２７に示すような非常に広いビン２７０１を備えた２つの外側チャネルを使用して、受信機ブロックの局部発振器用に使用する光を収集することにより、光パワーの非常に効率的な使用を実現し、かつ出射プローブビームに対する良好な結合、したがって光パワー効率が得られる。

一つの事例では、図２９に示すように、高出力、高速Ｉ／Ｑ変調器をスタンドアロン構成で使用して、固定周波数ｆ_０の光信号をｆ_０＋ｆ_ＩＦ１とｆ_０＋ｆ_ＩＦ２の間の周波数のチャープ光信号に変換することができる。

一つの事例では、ＰＩＣの送信機ブロックは、厚さ２２０ｎｍまたは４５０ｎｍの上部シリコン層、厚さ２ミクロンの埋め込み酸化物層を用いてシリコンオンインシュレータで実施できるが、５００ｎｍ～１０ミクロンの範囲の上部Ｓｉ層および０．５～３ミクロンの範囲の埋め込み酸化物層などの他の基板が使用され得る。より厚い上部シリコン層の使用は、導波路での高出力が望ましい特定の事例において、２光子吸収および自己位相変調などの非線形効果の発生を防止するために、有利である。導波路断面積を大きくすることにより、一定の入力電力における導波路のパワー密度が減少するため、前述の非線形効果の発生を防止することができる。一方、より厚いシリコン層の使用、従ってより大きな導波路の使用は、大きな損失なしに実施される導波路の湾曲部の最小曲率半径を増加させるという悪影響を及ぼし得る。最適なシステム設計のために、上部シリコン層の厚さ、したがって導波路の断面積が、非線形効果の発生と設計のコンパクトさの両方を最適化するために選択され得る。別の事例では、格子とファイバの結合効率を向上するために、さまざまな埋め込み酸化物の厚さと、格子セクションの埋め込み酸化物とＳｉエピ層との間にシリコンと酸化物の交互層を含む多層構造とが使用され得る。説明した事例に加えて、マルチプレクサ、デマルチプレクサ、波長選択カプラ、ビームスプリッタ、スイッチ、偏光スプリッタ、偏光回転子、アイソレータ、検出器、レーザー光源など、任意の他の受動的または能動的光学機能が送信機ＰＩＣにモノリシックに実装されるか、またはハイブリッド集積により実装され得る。

一つの事例では、コヒーレント受信機の基本セルが図３０Ａに示されている。ターゲットからの弱い戻りプローブ信号は、格子カプラ３００１を介してチップの平面内に結合し、かつ２ｘ２マルチプレクサ３００３内の導波路３００２内の強い局部発振器と合成される。２×２マルチプレクサ３００３の各々の出力には、局部発振器と戻りとの間の差に等しい周波数の光信号を検出することができる２つの導波路検出器３００４がある。コヒーレント検出技術では、バランスの取れた検出構成で２つの検出器を使用すると、ＤＣ成分が除去されるため、信号の光電流が最大となる。より具体的には、２つの検出器に入射する光場の電界は、次のように記述される。

ここで、ＥｓおよびＥＬＯは信号および局部発振器の電界を表すことができ、Ｅ１およびＥ２は２つの検出器の電界である。

２つの光検出器の光電流は、次のように表される。

２つの検出器の光電流を減算した後の光電流は、次の式で表される。

ここで、Ｒは検出器の応答性を表すことができ、Ｐｓ（ｔ）およびＰＬＯ（ｔ）は各々信号パワーおよび局部発振器の光パワーを表し、ω_ＩＦは光信号の変調周波数を表すことができ、θｓｉｇ（ｔ）およびθＬＯ（ｔ）は光場の時間依存位相を表すことができる。ある光検出器の光電流を他の光電流から減算した後、光信号の定数（ｄｃ）成分として検出器によって見られる高速発振項Ｐｓ（ｔ）およびＰＬＯ（ｔ）は、互いに相殺することができ、その結果は、中間周波数ω_ＩＦで振幅しかつ振幅

を有する信号光電流となる。高出力ＰＬＯ成分の増幅効果に加えて、振幅を２倍にすることができるため、検出感度が向上する。図３０Ａおよび図３０Ｂには、２つのピクセルが横並びの２つの構成が示されている。

図３１には、ピクセルの行と局部発振器の分配導波路とからなる組み合わせの一つの事例が示されている。図３０Ｃおよび図３１のアーキテクチャは、受信機アレイの曲線因子（ｆｉｌｌｆａｃｔｏｒ）を増加させるために使用できる。これは、格子カプラで覆われたＰＩＣの領域のみがアレイに入射する光をキャプチャすることができるためである。一つの事例では、局部発振器光は、セルの各行に対して２つの導波路を介してエバネッセント結合される。局部発振器光は、ピクセル構造３０００の他の要素と同じ層に配置され、かつ３３０９などの局部発振器分配ネットワークに接続された導波路３１０３からの導波路３１０１において結合される。図３２に示すように、ごく一部の光が、導波路３１０１から下方の導波路３１０２において行の各ピクセルの垂直カプラを介してエバネッセント結合される。導波路３１０１は、導波路３１０２の上方に存在することができ、２つの導波路間のエバネッセント結合は、垂直面で生じる。垂直カプラアーキテクチャは、２つの導波路を分離する酸化物層の厚さの非常に正確な制御を可能にし、ならびに２つの導波路の空間的オーバーラップまたはカプラの長さの変化は、各ピクセルへの正確な配光を可能にする。

システムアーキテクチャ
応用に応じて、異なるシステムアーキテクチャが実施される。例えば、短距離応用の要件は、５００ｍＷ以下などの非常に低い消費電力、１ｍｍ以下などの非常に高い精度、および小さなフォームファクターなどがある。結果として、シーン全体を一度に照明することができるフラッシュのアプローチは、ステアリング機構に関連する電力消費を排除できるため、より適切である可能性がある。フラッシュのアプローチの欠点は、光が複数のピクセルに広がるため、信号対ノイズ比が低下して、範囲が狭くなる等につながる可能性があることである。長距離を必要とする応用では、戻り信号でカバーされるピクセル数が１ピクセルなど非常に少ない数か、または１から５０ピクセルの範囲に保たれて、その結果、各検出器のＳＮＲは、例えば１０ｄＢよりも高くなるように、低発散ビームと連携してステアリング機構が必要となる。

光信号生成源からの信号は、チップの平面内のカプラ３３０１を介してかつスターカプラ３３０２において結合される。スターカプラのテーパー導波路３３０３に結合された光周波数ｆ_０の光は、複数のＩ／Ｑ変調器３３０４の入力に向けられる。Ｉ／Ｑ変調器は、ｆ_０＋ｆ_ＩＦ１とｆ_０＋ｆ_ＩＦ２の間の線形チャープ周波数を有する複数の同期光信号を生成することができる。複数の第１のチャープ光信号が、受信機アレイに局部発振器を提供するために受信機ブロック３３０５に向けられる。複数の第２のチャープ光信号は、スターカプラ３３０６の支援により格子カプラ３３０７上で合成されてチップから出力され、ターゲットに向かって送信される第２の光信号が提供される。図３４に示すように、１０度のような低い値からシーン全体を照明するために使用される場合の９０度のような高い値まで用途の必要性に応じて出射ビームの最適な発散および形状を得るために、レンズ３４０１の支援により第２の光信号が整形される。受信機アレイに入射する散乱した第２の光信号は、図３０Ａ～３０Ｃに詳細に示すように、動的分配ネットワークを介して局部発振器として提供される第１の光信号の一部と各ピクセルで合成される。動的分配ネットワークは、１ｘ２スイッチのツリー３３０８によって形成されるブロックと、それに続くＭＭＩ１ｘ２スプリッタ３３０９の静的ツリーで構成されるブロックとを含むことができる。スイッチを含む第１のブロックは、読み取られているピクセルのみに局部発振器の光を効率的に分配することを可能にし、それにより過剰な電力消費およびアレイの加熱を防止する。フラッシュの全体のシーンの照明の場合、ピクセルのブロックは、応用に必要なフレームレートを可能にするシーケンスおよび速度で連続的に読み取られる。

代替的に、このアーキテクチャは、外部ステアリング機構またはガルバニックステージ上の巨視的ミラーと組み合わせて使用される。そのようなシナリオでは、格子３３０７を介してチップから出力される第２の光信号がレンズを用いてコリメートされ、ステアリング機構に送信される。レンズは、ビームを１度未満の発散および０．１度までの低い発散にまでコリメートすることができる。ステアリング機構は、撮像されるべきシーンをスキャンすることができる。受信機アレイに入射する散乱した第２の光信号は、図３０Ａ～３０Ｃに詳細に示すように、動的分配ネットワークを介して局部発振器として供給されている第１の光信号の一部と各ピクセルで合成される。この場合、１ｘ２スイッチブロックのツリーを介して実施される動的スイッチングメカニズムは、ヘテロダイン検出メカニズムによる最大増幅のために散乱光信号が入射する受信機のピクセルのブロックに局所発振器を同時に提供できるように、ステアリング機構と相関される。読み取られるピクセルは、システムによる光線追跡によって決定される検出器アレイ上の戻り散乱ビームの予想位置によって、外部ステアリング機構の場合に関して決定される。

スターカプラ並びにエンドカプラの代わりにＭＭＩをまたはレーザー３５０１とトランシーバ３５００とのハイブリッド集積を使用する代替アーキテクチャが、各々図３５Ａおよび図３５Ｂに示されている。

一つの事例ではアーキテクチャは、図３６に示すようなオンチップの集積光フェーズドアレイを含むことができる。フェーズドアレイの利点は、例えば図３６に示すように、フェーズドアレイをトランシーバの構造とともに集積化して、同じ半導体プラットフォーム上に３つの機能（送信機、受信機、ビームステアリング）をすべて組み込んだシングルチップのライダーソリューションを作成することができるという点にある。光マイクロアンテナのフェーズドアレイでは、各アンテナは、導波路の外部に光を放射する格子を導波路にエッチングすることにより作成され得る。そのようなエミッタの二次元アレイ、例えば、３２ｘ３２エミッタアレイまたは６４ｘ６４エミッタアレイを使用することにより、干渉パターンが、異なるエミッタから発生する波面の重ね合わせによって遠方場において生成され得る。１つの強い中央最大値および１０ｄＢ以上抑制されたサイドローブを含む遠方場パターンが、エミッタアレイの適切に設計されたパラメータを使用して遠方場で取得される。各マイクロアンテナから放射される光の位相を制御することにより、中央の最大位置が変更されて、それにより本質的に二次元のステアリング機構が作成される。

光信号生成源からの信号は、チップの平面内のカプラ３６０１を介してかつスターカプラ３６０２および導波路３６０３において結合される。スターカプラ３６０２のテーパー導波路３６０３に結合された光周波数ｆ_０の光は、複数のＩ／Ｑ変調器３６０４の入力に向けられる。Ｉ／Ｑ変調器は、ｆ_０＋ｆ_ＩＦ１とｆ_０＋ｆ_ＩＦ２の間の線形チャープ周波数を有する複数の同期光信号を生成することができる。複数の第１のチャープ光信号が、受信機アレイに局部発振器を提供するために受信機ブロック３６０９に向けられる。複数の第２のチャープ光信号は、一つの事例では光フェーズドアレイ３６１０を含むことができるステアリングブロックに向けられる。光フェーズドアレイは、ターゲットに向かって送信される第２の光信号に対してビーム整形およびステアリングを行うことができる。光フェーズドアレイは、アクティブな１ｘ２スイッチ３６１１並びに１ｘ２固定比５０／５０のＭＭＩスプリッタ３６１２の両方で構成される信号分配ツリーで構成することができる。第２の光信号は、分配ツリー３６１１および３６１２から各導波路３６１３上の移相器に向けられ、さらにターゲットの方向にアレイの表面に直交する光を放射することができる光アンテナ３６１０のアレイに向けられる。受信機アレイに入射する戻りの散乱した第２の光信号は、図３０Ａ～３０Ｃに詳細に示すように、動的分配ネットワークを介して局部発振器として提供されている第１の光信号の一部と各ピクセルで合成される。動的分配ネットワークは、１ｘ２スイッチ３６０７のツリーによって形成されるブロックと、それに続くＭＭＩ１ｘ２スプリッタ３６０８の静的ツリーで構成されるブロックとから構成することができる。スイッチを含む第１のブロックは、読み取られているピクセルのみに局部発振器の光を効率的に分配することを可能にし、それゆえ過剰な電力消費およびアレイの加熱を防止する。

光信号を放射するアンテナのサブセットがリアルタイムで調整されるため、完全受動的１ｘ２ＭＭＩのみの分配ツリーではなく、フェーズドアレイ３６１０の分配ブロックの一部としてスイッチブロック３６１１を使用することにより、ビーム整形の柔軟性が向上する。一つの事例では、光を放射するアンテナの数を減少させることにより、出射ビームの発散が増加され得る。

スターカプラ並びにエンドカプラの代わりにＭＭＩまたはチップ３７００上のレーザー３７０１と３Ｄ撮像システムのハイブリッド集積を使用する代替アーキテクチャが、各々図３７Ａおよび図３７Ｂに示されている。

範囲、深さ、水平および垂直解像度の動的制御
周波数変調連続波／コヒーレント撮像アレイシステムでは、ボクセルの総数はピクセル数とレンジエレメント数の積で求めることができ、かつ式によって読み出し速度およびチャープランプに関連付けることができる。

ここで、Ｎ_ｐｉｘはピクセル数を表すことができ、ＲＳＩは最大範囲と最小範囲の差を表すことができ、は範囲の解像度を表すことができ、ΔＲはセンサの読み出し速度を表すことができ、γはセンサーの読み出し速度を表すことができ、ｔｒはチャープランプの長さを表すことができる。最大範囲は、送信機の出力電力と検出器の増幅率とによって決定され、範囲の解像度および精度は、チャープの帯域幅によって決定され、ピクセル数は受信機またはステアリング光学フェーズドアレイのパラメータによって電子的に構成される。一つの事例では、３Ｄ撮像システムに対して所望の撮像解像度、視野、および深度解像度を取得するために、出力電力、チャープ帯域幅、ビーム発散、およびチャープランプの時間的長さの４つのパラメータが動的に調整される。一つの事例では、ピクセル密度は６４０ｘ４８０とすることができ、範囲は２００ｍとすることができ、範囲の解像度は１５ＧＨｚの変調帯域幅に対応する１ｃｍとすることができ、ランプ時間は６１．４ｍｓとすることができ、読み出し速度は１００ＧＳ／ｓとすることができる。チャープランプ長と読み出し速度を一定に保ちながら、チャープ帯域幅を４５ＧＨｚに増加し、対応する係数でピクセルの範囲または数を低減することにより、範囲の解像度を３ｍｍに増加させることができる。上記の式を満たす任意の他のパラメータの組み合わせを使用して、３Ｄシステムの性能を動的に調整することができる。このパラメータの動的な調整は、数百ナノ秒という短い時間で実行できるため、関心範囲、解像度、精度、視野など緩やかに変化するパラメータに関しては、数秒の長さまでのポイントツーポイントのパラメータ調整を可能にする。

ステアリングモジュール
より長い範囲のライダーシステムを実現するために、出射光ビームのパワー密度を遠方場で高い値（例えば、１平方ミリメートルあたり数ｍＷ）に維持することができる。高パワー密度を達成するために、出射光ビームの発散を非常に低いレベル（例えば、０．５度未満）に維持することができる。非常に低い発散を維持しながらビームを動的ビームステアリングすることは、光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）アプローチを使用して理論的には可能であるが、実際の実施には技術的に困難である。概念的な観点から、動的に制御されるフェーズドアレイは、可変パラメータレンズが遠方場パターンを形成することができるのと同じ目標を達成することができる。ＯＰＡの場合、複数のエミッタの位相を独立して制御することにより、ビームの所望の発散と位置決めに応じて遠方場パターンを調整することができる。一定の発散の光ビームのステアリングが必要な場合、代替アプローチが使用され得る。レンズの機能を効果的に複製する位相制御によりビームの各パラメータを整形する代わりに、固定レンズを使用し、かつビームの発生源、または焦点面から放射されるビームを動的に変更することができる。焦点面内の放射位置を動的に制御することにより、異なる角度、したがって遠方場における入射位置が取得され得る。一つの事例では、図３８Ｂに示すように、出射光ビームは、格子カプラ３８０６を介して焦点面アレイから出力され、従ってシステムによってレンズに対してある角度に向けられ、またはアレイを再構成することによって、格子カプラ３８０７を介して焦点面アレイから出力され、かつレンズに対して第１の角度とは異なる角度でシステムの外部に向けられる。

図３８Ａに示される事例では、レーザービームは、導波路３８０２を介して光スイッチ３８０３の集合の入力に結合される。光スイッチ３８０３の集合は、ビームを１つまたは複数の格子カプラ３８０５に向ける。図３８Ｂに示すように、格子カプラは焦点面アレイからの光を出力することができる。光スイッチの集合を再構成することにより、出射光ビームは、焦点面のさまざまな位置から放射されるため、さまざまな角度に向けられる。一つの事例では、格子カプラによってカバーされる領域は、６ｍｍｘ６ｍｍの領域であり得るが、１ｍｍｘ１ｍｍ以下などのより小さい領域または１５ｍｍｘ１５ｍｍ以上などのより大きい領域を使用することができる。一つの事例では、光スイッチの集合の構成は、一度に１つの格子カプラにビームを向けることができ、かつ出射ビームを各格子出射カプラ３８０５の各々に向かって順次再構成されて、遠方場において２軸角度スキャンを作成することができる。一つの事例では、格子カプラのアレイは、カプラの８ｘ８アレイであり、従って、出射光ビームに対して６４の個別の方向付けを可能にする。４ｘ４～１２８ｘ１２８以上などの他のアレイサイズを作成して、出射光ビームの１６個から１６，３８４個以上の個別の方向を取得することができる。さらに、レンズ３８０８のパラメータを適切に選択することにより、出射光ビームの異なる発散を実現することができる。一つの事例では、レンズパラメータおよび位置決めは、０．０１度の低い角度発散を提供するように選択され得る。他のレンズパラメータおよび格子アレイパラメータに関する位置決めは、例えば０．０１度から３０度の範囲で出射ビーム発散を提供するために選択され得る。一つの事例では、５０度の視野を提供するために、６ｍｍ幅の格子のアレイを使用して、６．４３ｍｍの焦点距離のレンズを使用することができる。他の焦点距離、アレイ幅、格子アレイ密度の組み合わせを使用して、異なる視野およびビームステアリング角度解像度を有するシステムを作成することができる。

一つの事例では、スイッチの集合は１ｘＮ構成で構成され、光信号は各格子カプラに直列に分配され、１つの格子カプラがレーザーの光の実質的にすべてを格子から一度に出力することができる。代替的に、一つの事例では、スイッチの１ｘＮアレイの選択スイッチは、５０／５０／０…／０または１０／９０／０／…／０などの他の比率構成、または焦点面アレイの異なる位置で、かつ異なる強度で同時に光を結合することを可能にする任意の他の構成で構成することができる。出射ビームの異なる強度が、ターゲットへの予想距離に基づいて異なる角度で最適になり得る。一つの事例では、ある角度では、障害物がエミッタから２メートルの位置に配置されていると、エミッタから５０メートルで第１の障害物を検出できる第２の出射角度での検出よりもかなり少ない電力で済むこととなる。異なる方向に向けられる出射レーザービームの強度を変化させることにより、システムの電力消費を最適化することができる。一つの事例のフィードバックループが図３９に示される。受信機アレイ３９０３の光検出器によって検出された信号は、受信機のセクションで説明したように、戻り光場の周波数および振幅を測定するピクセル信号処理モジュール３９０４によって処理することができる。振幅情報または信号強度情報は、光ステアリングブロックコントローラ３９０１への入力として提供され、光ステアリングブロックコントローラ３９０１は、その情報を使用して、受信信号が弱い方向はより多くの出射光信号パワーを受信し、一方、受信信号が強い方向はより少ない出射光信号パワーを受信してすべての方向で最適な信号対ノイズ比を達成するように光ステアリングブロック３９０２内のスイッチ３８０３を構成する。一つの事例では、異なる角度での受信光パワーの差は、障害物までの距離、障害物または遮蔽物（ｏｂｓｃｕｒａｎｔｓ）の反射率によって生じる可能性がある。

一つの事例では、１ｘＮスイッチの集合を作成するために使用されるスイッチは、１つの１ｘＮスイッチ構成、Ｎ個の１ｘ２スイッチのツリー、または任意の他の組み合わせとすることができる。一つの事例では、スイッチング機構は、熱光学、ＰＮまたはＰＩＮ位相変調器構成におけるキャリア空乏またはキャリア注入であり得、かつマッハツェンダーまたはリングスイッチアーキテクチャ構成を使用するものであり得る。

一つの事例では、スイッチの集合は、図４０Ａ～４０Ｃに示すように、並列構成と直列構成の組み合わせで配置することができる。レーザー４００１からの光ビームは、導波路４００２に、かつ１ｘ２スイッチ４００３のツリーに結合され、１ｘ２スイッチ４００３は、構成に応じて、格子カプラ４００５の１つまたは複数の列に光信号を向けることができる。スイッチ要素４００３からの信号は、導波路４００７を介して後続の１×２スイッチ４００８の入力に結合される。一つの構成では、スイッチ４００８の出力を出射する光信号は、カプラ４０１２に送信され、チップから出力される。スイッチ４００８の代替構成では、スイッチの出力は導波路４００９に向けられ、さらに別のスイッチ４０１０の入力に向けられる。一つの構成では、スイッチ４０１０は、出力カプラ４０１３に接続された出力導波路に光信号を向けることができる。スイッチの別の構成では、光信号は、出力導波路４０１１に向けられ、さらに直列に配置された別のスイッチに向けられる。

一つの事例では、図４１Ａ～４１Ｂに示されるように、各格子カプラから放射されるパワーを増加させるために、２つの反対方向に伝搬するバスからの光信号が組み合わされる。この事例では、導波路４１０１からの光信号は、スイッチ４１０２によって２ｘ１ＭＭＩコンバイナの入力導波路４１０４に向けられる。同様に、導波路４１０８からの光信号は、スイッチ４１０７によって２ｘ１ＭＭＩコンバイナ４１０９の入力導波路４１０５に向けられる。２つの信号は２ｘ１ＭＭＩコンバイナ４１０９で合成され、格子４１０６を介してチップから出力される。２×１カプラ４１０９によって合成された信号の位相は、送信機モジュールの出力において位相制御要素４１１０を使用して調整される。

一つの事例では、１ｘＮスイッチの集合を作成するために使用されるスイッチは、１つの１ｘＮスイッチ構成、Ｎ個の１ｘ２スイッチのツリー、または任意の他の組み合わせとすることができる。一つの事例では、スイッチング機構は、熱光学、ＰＮまたはＰＩＮ位相変調器構成におけるキャリア空乏またはキャリア注入であり得る。

長距離を必要とする応用では、戻り信号でカバーされるピクセル数が１ピクセルなど非常に少ない数か、または１から５０ピクセル範囲に保たれて、その結果、各検出器のＳＮＲは、例えば１０ｄＢよりも高くなるように、低発散出射ビームと連携してステアリング機構が必要となり得る。一つの事例では、アーキテクチャは、図４２に示すように、オンチップの集積光学ステアリング機構を含むことができる。集積オンチップステアリング機構の利点は、例えば図４５Ａ－４５Ｃに示すようにトランシーバの構造とともに集積化して、同じ半導体プラットフォーム上に３つの機能（送信機、受信機、ビームステアリング）をすべて組み込んだシングルチップのライダーソリューションを作成することができるという点にある。

光信号生成源４２０１からの信号は、導波路４２０２を介してシリコンチップ内に結合され、その後、１ｘＮＭＭＩカプラ４２０３の入力に結合される。１ｘＮＭＭＩカプラのＮ個の出力から出力された光周波数ｆ_０の光は、複数のＩ／Ｑ変調器４２０４の入力に向けられる。Ｉ／Ｑ変調器は、ｆ_０＋ｆ_ＩＦ１とｆ_０＋ｆ_ＩＦ２の間の線形チャープ周波数を有する複数の同期光信号を生成することができる。複数の同期光信号は、Ｎｘ１ＭＭＩカプラ４２０６によって合成され、その後、１ｘ２ＭＭＩスプリッタ４２０８の入力に向けられる。１×２ＭＭＩスプリッタから出射する第１のチャープ光信号は、受信機アレイに局部発振器を提供するために、導波路４２１０を介して受信機ブロックに向けられる。第２のチャープ光信号は、一つの事例では、スイッチ４２１１の集合を含むことができるステアリングブロックに向けられ、スイッチ４２１１の集合は、出射ビームを格子４２１２のアレイから異なる出力格子４２１３に切り替えることができる。図４６に示すように、出力格子カプラのアレイとスイッチの集合は、コリメートレンズの焦点面における出射光信号の原点の位置を動的に制御することができる。焦点面におけるビームの位置を変更すると、それに応じて、出射コリメートビームの角度が変化する。デジタルスイッチングアレイは、スイッチの集合および格子カプラのアレイで構成することができる。第２の光信号は、スイッチの集合から、アレイ４２１２の格子カプラのいずれかに向けられ、アレイ４２１２の格子カプラは、アレイの表面の法線に対して直角にまたはある角度で光を放射することができる。格子カプラから放射された光は、レンズによってコリメートされ、ターゲットの方向に向けられる。受信機アレイに入射する戻りの散乱した第２の光信号は、図３０－３３に詳細に示すように、動的分配ネットワークを介して局部発振器として提供されている第１の光信号の一部と各ピクセルで合成される。動的分配ネットワークは、１ｘ２スイッチのツリーによって形成されるブロックと、それに続くＭＭＩ１ｘ２スプリッタの静的ツリーで構成されるブロックとから構成することができる。スイッチを含む第１のブロックは、読み取られているピクセルのみに局部発振器の光を効率的に分配することを可能にし、それゆえ過剰な電力消費およびアレイの加熱を防止する。

一つの事例では、スイッチの集合４２１１内のすべてのスイッチは、入力導波路内の信号の全体がスイッチの１つの出力導波路のみに向けられ、そこから格子カプラアレイの出力されるべき１つの格子カプラのみに向けられるように構成することができる。この事例では、スイッチの集合は、光がアレイ内の各格子カプラに順次送信され、その結果、受信機ブロックが連続的に照明されかつ読み取られるように構成することができる。このような構成は、出射光ビームの高パワー密度が必要とされる場合に、５０メートルなどの長距離または５０メートルから４００メートルなどのより長距離にある物体を検出するのに好適であり得る。別の事例では、スイッチの集合は、出力信号と入力信号の間に任意の他の比率が作成されるように構成することができる。この事例では、複数の格子がアレイから光を同時に出力することができ、各格子の出力パワーが異なるものとすることができる。この事例では、各格子および各方向は、１０メートルや２０メートルなどの短い範囲にある障害物を検出するのに十分な量の光を受信するが、他のスイッチは、最大の利用可能な入力パワーが格子に分配されて戻り信号対ノイズ比が２０メートルから４００メートルなどの長距離にある障害物の検出を可能にするのに十分となるように構成される。

図４３に示す別の事例では、Ｉ／Ｑ変調器４３０４の出力からの複数の第２の光チャープ信号が複数の１ｘＮ光スイッチ４３０７に送信され、各Ｉ／Ｑ変調器出力は１つの１ｘＮスイッチの入力として機能する。各スイッチは、格子カプラ４３０８のアレイの一部であり得るＮ個の格子カプラ間で光信号の切り替えを実行することができる。一つの事例では、４個のＩ／Ｑ変調器を使用して、各々１６個の格子の４つのアレイにチャープ光信号を提供することができる。一つの事例では、複数の第１の光信号は、局部発振器信号を提供するために、Ｉ／Ｑ変調器４３０４の出力から導波路４３０６を介して受信機ブロックに向けられる。図４４に示すような８個などの他の数の変調器、または１個～２５６個の任意の数の変調器を使用して、１個～２５６個の格子４４０８のアレイにチャープ光信号を提供することができる。また、１つのスイッチが対応するアレイ内の格子の数は、１６個、またはアレイ当たり４個の格子からアレイ当たり４０９６個以上の格子のような任意の数であり得る。

図４５Ａに示される事例では、受信機アレイ４５０９は、送信機およびデジタルステアリングアレイと同じチップ上にあり得る。
図４５Ａに示される事例では、格子４５０１を使用して、光をスターカプラ４５０２に結合し、続いて、マルチチャネルＩ／Ｑ変調器４５０３およびステアリングモジュールに結合することができる。さらに、受信機アレイ４５０９も同じチップに集積することができる。この構造により、複数の変調チャネルが使用され、かつ設計において高パワーのボトルネックが存在しないため、高集約出力パワーが可能となる。光信号生成源からの信号は、チップの平面内のカプラ４５０１を介してかつスターカプラ４５０２および導波路４５１０において結合される。スターカプラ４５０２のテーパー導波路４５１０に結合された光周波数ｆ_０の光は、複数のＩ／Ｑ変調器４５０３の入力に向けられる。Ｉ／Ｑ変調器は、ｆ_０＋ｆ_ＩＦ１とｆ_０＋ｆ_ＩＦ２の間の線形チャープ周波数を有する複数の同期光信号を生成することができる。複数の第１のチャープ光信号が、受信機アレイに局部発振器を提供するために受信機ブロック４５０９に向けられる。複数の第２のチャープ光信号は、一つの事例ではデジタル再構成可能な格子アレイを含むことができるステアリングブロックに向けられる。デジタル再構成可能な格子アレイは、ターゲットに向かって送信される第２の光信号のステアリングを行うことができる。デジタル再構成可能な格子アレイは、再構成可能なスイッチ４５０５の集合と格子アレイ４５０６とから構成することができる。第２の光信号は、Ｉ／Ｑ変調器４５０３から１×Ｎスイッチ４５０５に向けられ、次いで、アレイの表面に直交する光をターゲットの方向に放射することができる格子カプラ４５０６のアレイに向けられる。受信機アレイに入射する戻りの散乱した第２の光信号は、図３０－３３に詳細に示すように、動的分配ネットワークを介して局部発振器として提供されている第１の光信号の一部と各ピクセルで合成される。動的分配ネットワークは、１ｘ２スイッチのツリー４５０８によって形成されるブロックと、それに続くＭＭＩ１ｘ２スプリッタ４５１３の静的ツリーで構成されるブロックとから構成することができる。スイッチを含む第１のブロックは、読み取られているピクセルのみに局部発振器の光を効率的に分配することを可能にし、それゆえ過剰な電力消費およびアレイの加熱を防止する。システムの概略図が図４６に示されている。

スターカプラの代わりにＭＭＩを使用する代替アーキテクチャが図４５Ｂおよび４５Ｃに示されている。
レーザー光生成モジュール
一つの事例では、レーザーを直接変調して、短い光レーザーパルスを生成することができる。一つの事例では、レーザーパルスの長さは１ｎｓである。各種事例で、レーザーパルスの持続時間は、パルスが短いほど精度が増加する傾向があるため、平均パワーを低減して深度測定の精度を高めるために、０．２５から１ｎｓの範囲内であり得る。他の事例では、総パルスエネルギーを増加して、低反射率の遠隔障害物を検出する場合に検出に十分な光子を提供できるようにするために、１－１０ｎｓのパルス幅が使用され得る。一つの事例では、レーザー光源は、関心範囲内の障害物の検出を最適化するために、パルスごとにパルス長を調整してもよい。

光信号処理モジュール
一つの事例では、光信号処理モジュールは、着信光信号を複数のチャネルに分割する。１つの光源から車両の周囲の別個のビームステアリングユニットに送信できる複数のチャネルを作成すると、システム全体のコストが削減されるため有利である。光学処理モジュールの別の機能は、光学処理モジュールから出射されるパルスのピークパワーをリアルタイムで調整することであり得る。これは、ターゲットまでの距離に応じて変化するターゲットから散乱される光の量を補償し得る（例えば、Ｒがターゲットまでの距離を表すことができるＲ二乗依存性（Ｒｓｑｕａｒｅｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ））。出射パルスの強度をリアルタイムで制御すると、検出器のダイナミックレンジを超える（従って飽和する）ことを防止することが可能となり得る。これは、電気制御可変光減衰器を使用して実現され得る。１つの事例では、出射パルスの強度の制御に加えて、変調器を使用して各パルス上で異なる複数のビット変調（コード）をエンコードして、検出システムが各パルスのタイミングおよびソースを決定し、クロストークを防止することができるようにする。

一つの事例では、図４７に示すように、光学処理モジュール１０２は、シリコンオンインシュレータ技術を使用して構築されたＰＩＣ４７００を含む。一つの事例では、信号は、格子カプラ４７０１を介してＰＩＣ４７００に結合され、１ｘ２のアレイのマルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路４７０２のアレイに導かれ、ＭＭＩ導波路４７０２は、入力信号を複数の導波路内を伝搬する複数の信号に分割する。信号は、導波路４７０５の各々を介して信号の強度を制御する役割を有する振幅変調器／可変光減衰器（ａｍｐｌｉｔｕｄｅｍｏｄｕｌａｔｏｒ／ｖａｒｉａｂｌｅｏｐｔｉｃａｌａｔｔｅｎｕａｔｏｒ）４７０３に導かれる。Ｓｉ導波路への電流注入、電気的または熱的に制御されるマッハツェンダー干渉計、またはレーザー光強度の高速振幅減衰を実現する任意の他の組み合わせなど、さまざまな技術が実施され得る。一つの事例では、数ＭＨｚから２５～３０ＧＨｚの速度で強度減衰を提供するために、電荷制御マッハツェンダー構成を使用してもよい。強度制御要素の後、導波路４７０６を伝搬する光信号は、格子カプラ４７０４を介してＰＩＣから出力される。４チャネルのＰＩＣの実施形態の概略図が図４７に示されている。他の事例では、チャネルの数が増減し得る。最適なチャンネル数は、システム全体のパラメータ、より具体的には、各チャンネルが１つのモジュールに対応するため、自動車の周囲を３６０度完全にカバーするために必要なモジュールの数に依存する。各モジュールの視野、システムに必要な冗長性の程度、およびその他のパラメータに基づいて、異なる数のモジュール、従って異なる数のチャネルが使用され得る。他の事例では、入力および出力格子カプラは、断熱テーパー型導波路端部カプラで置換され得る。

一つの事例では、送信機ＰＩＣは、上部シリコン層が厚さ２２０ｎｍまたは４８０ｎｍ、埋め込み酸化物層が厚さ２ミクロンのシリコンオンインシュレータで実施され得るが、５００ｎｍから１０ミクロンの範囲の上部Ｓｉ層および０．５～３ミクロンの範囲の埋め込み酸化物層などの他の基板が使用され得る。より厚い上部シリコン層の使用は、導波路での高出力が望ましい特定の事例において、２光子吸収および自己位相変調などの非線形効果の発生を防止するために、有利である。導波路断面積を大きくすることにより、一定の入力パワーにおける導波路のパワー密度が減少するため、前述の非線形効果の発生を防止することができる。一方、より厚いシリコン層の使用、従ってより大きな導波路の使用は、大きな損失なしに実施される導波路の湾曲部の最小曲率半径を増加させるという悪影響を及ぼし得る。最適なシステム設計のために、上部シリコン層の厚さ、したがって導波路の断面積が、非線形効果の発生と設計のコンパクトさとの両方を最適化するために選択され得る。別の事例では、格子とファイバの結合効率を向上するために、さまざまな埋め込み酸化物の厚さと、格子セクションの埋め込み酸化物とＳｉエピ層との間にシリコンと酸化物の交互層を含む多層構造とが使用され得る。説明した事例に加えて、マルチプレクサ、デマルチプレクサ、波長選択カプラ、ビームスプリッタ、スイッチ、偏光スプリッタ、偏光回転子、アイソレータ、検出器、レーザー光源など、任意の他の受動的または能動的光学機能が送信機ＰＩＣにモノリシックに実装されるか、またはハイブリッド集積により実装され得る。

各種事例では、複数の波長で出射光信号を生成し、かつマルチスペクトルライダーシステムを作成するために、図４８で説明したような異なる構成のＰＩＣが使用され得る。マルチスペクトルライダーシステムは、出射光信号に対して複数の波長を利用し得る。複数の波長の使用は、媒体を通る光信号の伝搬損失が媒体の化学組成の変化に伴って変化する状況、またはソフトな障害物とハードな障害物のような異なる障害物のタイプを区別する必要があるような状況において有利になる可能性がある。

別の事例では、送信機ＰＩＣは、送信機の各チャネルに対して第２の光波長を生成するために、追加の能動的機能要素としてラマン波長変換器を組み込む。ラマン効果は、光の光子が結晶の振動モード上で非弾性的に散乱し、結果として低エネルギー（長波長）の光子を生成する非線形効果である。シリコンの場合、周波数／波長シフトは結晶構造に依存し、５２１ｃｍ^－１である。ポンプの強度が十分に大きくなると、プロセスが刺激され、光ポンプレーザーを構築することができる。光ポンプラマンレーザーでは、高強度ポンプレーザーがレーザーキャビティに結合され、レーザーキャビティは、ラマンシフト波長で共鳴条件を満たすように設計されたリングキャビティまたは線形キャビティとすることができる。

図２および図４８に示す例では、レーザー信号生成ユニット１０１から着信する光信号は、断熱テーパー型導波路端部カプラまたは格子カプラ４８０１を介して送信機ＰＩＣ４８００に結合される。波長λ０の信号は、波長選択カプラ（ＷＳＣ：ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓｅｌｅｃｔｉｖｅｃｏｕｐｌｅｒ）４８０３に伝搬し、ＷＳＣを介してリング共振器４８０２に結合する。リング共振器４８０２は、波長λ１のラマンシフト光信号に対する共振条件を満たす、即ち、キャビティがラマン波長で高Ｑ係数を有するように設計することができる。リングを１回トリップした後、波長λ０のポンプ光信号は、カプラ４８０３を介してリングから出射される。ポンプ信号λ０および波長λ１のラマンシフト信号の両方を含むリング共振器４８０２の出力は、２つの異なる波長の信号を分離する波長選択カプラ４８０４の入力に導かれる。波長λ１の信号は、ＷＳＣ４８０６の入力に向けられ、かつ２次ラマンシフト信号λ２に対する共振キャビティになるように設計されたリング共振器４８０５用のポンプとして使用される。波長λ２のラマンシフトされた光信号は、波長選択カプラ４８０７によって波長λ１のポンプ信号から分離される。ＷＳＣ４８０７の波長λ２の出力は、波長λ２の信号を４つのチャネルに分割できるように、１ｘ２ＭＭＩ４８０８のツリーに向けられる。４つの光信号は、導波路を介して可変光減衰器４８０９の入力に向けられる。可変光減衰器４８０９の出力は、導波路を介して波長選択カプラ４８１１の入力に向けられる。下部アームでは、波長選択カプラ４８０４の波長λ０の出力が１ｘ２ＭＭＩツリー４８１３の入力に向けられて、基本波長λ０の光信号が４つのチャネルに分割される。分割後の光信号は、可変光減衰器４８１０を介して導波路を通過し、波長選択カプラ４８１１に向けられる。波長λ０およびλ２の２つの入力は、波長選択カプラ４８１１によって合成され、かつ導波路を介して格子または断熱テーパー型導波路カプラ４８１２に向けられる。一つの事例では、格子カプラ４８１２は、λ２、λ０波長の両方で高効率を達成するように設計された格子パラメータ（周期、エッチング深さ、材料組成）を有する。４チャンネルデバイスが例示されたが、システム設計に応じて、例えば６～８チャンネル以上のような、任意の数のチャンネルを使用することができる。一つの事例では、基本波の動作波長は１５５０ｎｍであり、第１のラマンシフトλ１は１６８６ｎｍであり、第２のラマンシフト波長λ２は１８４８ｎｍである。上記の事例では、出力がλ０およびλ２の２ステージラマンシフトシステムについて説明したが、λ０およびλ１の出力を有するシングルステージなどの波長のその他の組み合わせ、またはλ０、λ１およびλ２のまたは任意の他のラマン高調波の組み合わせの出力を有するデュアルステージを作成することができる。

ビームステアリングモジュール
図４９に示すように、光学処理モジュール２００の格子２０４からの複数の光学信号の各々は、光ファイバ４９０３を介してビームステアリングモジュール４９０１に送信され得る。一つの事例では、伝送に使用されるファイバは、１５５０ｎｍのレーザー信号を搬送するシングルモードファイバとすることができる。ビームステアリングユニットの事例が図４９に示される。

コリメータ４９０４は、ファイバ４９０３から出射する光をコリメートし、固定ミラー４９０５に送り、そこでＭＥＭＳミラー４９０６に反射される。ＭＥＭＳミラー４９０６は、水平方向および垂直方向にラスタリングパターンまたはリサージュパターンを実行する。１つの事例では、水平軸の周波数は１０ＫＨｚ、垂直軸の周波数は１０．２ＫＨｚであり、これらは両方ともミラーに対する共振周波数である。他の範囲、例えば、１０～３０ＫＨｚが水平および垂直に使用され得る。事例では、水平軸を１０～３０ＫＨｚの範囲などの高周波で共振で駆動し、垂直軸を所望のフレームレートに応じた５０～１００Ｈｚなどの、共振周波数を下回る準静的領域で駆動することができるラスタリングパターンを使用することができる。１００から５００Ｈｚなどの他の範囲は、垂直軸のラスタリング動作に使用され得る。別の事例では、両方の軸は、リサージュパターンを生成する正弦関数を使用して共振で駆動される。この場合、ミラー設計のサイズおよびジオメトリが共振周波数を決定するため、ミラーの物理設計に応じて、駆動周波数は、水平軸と垂直軸の両方に対して１０～３０ＫＨｚの範囲内であり得る。駆動周波数間の間隔によって、フレームレートが決定される。このように、水平軸と垂直軸の動作間の周波数の好ましい間隔は、ミラーの製造が容易となるより大きな間隔で所望のフレームレートを達成するために、５０～２００Ｈｚの範囲であり得る。所望のフレームレートは、より高速またはより低速の画像更新レートに関するライダーシステム要件全体に従って決定され得る。この周波数範囲での動作は、自動車の機械的振動の影響を受けにくい可能性がある。一つの事例では、垂直角度の範囲は２５度であり、水平角度の範囲は４０度である。４０～８０度の水平角度の範囲および２５～９０度の垂直角度の範囲などの他の範囲が使用され得る。出射した第１の光信号ビームはターゲットから反射され、反射された信号ビームの一部は、レンズ４０７によって収集され、検出器アレイ４９０８上に合焦される。

システムでは、それぞれが１つのチャネルに対応する１つまたは複数のビームステアリングユニットが使用される。車両の周囲のすべてのエリアに所望のレベルのカバレッジを達成するために、多数のユニット、したがって１～１０の多数のチャネルを有する個別の事例が使用され得る。

検出モジュール
パルス領域で検出器の性能を向上させ、かつ信号対ノイズ比を向上させるために、波長範囲、視野、時間ウィンドウ、帯域幅の４つの次元のいずれかで信号を探索するウィンドウを縮小することができる。格子カプラを介した戻り信号の結合により、受信機ＰＩＣ４９０８のイメージセンサは、非常に狭い波長範囲および視野で設計される。格子への入射角と動作波長の両方に対する格子の感度により、格子カプラは戻り光の極めて選択的なフィルタとなる。さらに、高速の電気光学ゲートを追加すると、信号対ノイズ比を改善するために、複数のゲートに亘って信号が平均化される場合に、時間ゲート検出およびボックスカー技術（ｂｏｘｃａｒｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）の適用が可能になる。一つの事例では、光を受信機に結合する格子は、受信機の動作波長以外の光をフィルタ除去するために、１～１０ｎｍの範囲の３ｄＢ帯域幅などの非常に狭い波長帯域幅を有するように設計されている。別の事例では、光を受信機に結合する格子は、受信機の対応するピクセルの角度範囲内に存在しない任意の光をフィルタ除去するために、０．２５～２度の範囲で３ｄＢの帯域幅などの非常に狭い受光角度を有するように設計されている。

検出モジュール４９０２は、コリメートレンズまたはマルチレンズ撮像アセンブリ４９０７および受信機ＰＩＣ４９０８を含み得る。受信機ＰＩＣ４９０８は、Ｎ×Ｍピクセルのアレイ５０００を含み得る。一つの事例では、ピクセル数は１０２４ｘ２５６であるが、他のピクセル密度を使用することもできる。追加の事例では、アレイサイズは１２８ｘ１２８などの小さいサイズ、または２５６ｘ２５６、５１２ｘ５１２、４０９６ｘ４０９６などの大きいサイズにすることができる。対称設計または非対称設計を使用して他の範囲が使用され得る。より多くのピクセルを有するより大きなアレイは、ピクセルサイズおよびピクセル設計に応じて、より広い視野またはより高い解像度を提供する。さらに、大きなアレイは、検出器を機械的に移動させる必要なく、大きな視野に対応する画像を同時にキャプチャすることができる。

光信号の各々が対応するビームステアリングユニット４９０１によって制御されるターゲット位置に到達すると、ターゲットから散乱された信号の一部がレンズ４９０７によって収集され、図５０に示されるように、受信機ＰＩＣ４９０８のピクセルアレイ５０００上に合焦される。

サンプルセル５１００は、ＰＩＣ４９０８の平面全体にわたって繰り返され得る。格子カプラ５１０１は、戻り光を平面回路に結合し得る。光は、導波路５１０４を介して電気光学時間領域ゲート５１０２に導かれ、続いて導波路５１０５を介して高速導波路光検出器５１０３に導かれ得る。一つの事例では、光検出器５１０３は、アバランシェ光検出器（ＡＰＤ：ａｖａｌａｎｃｈｅｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ）を含むことができる。一つの事例では、ＡＰＤ５１０３はシリコン上で成長したゲルマニウム検出器を含むことができる。電気光学ゲートは、電界吸収ベースのデバイスとするか、またはデバイス５２０２などのマッハツェンダー構成を有することができ、位相制御が電荷効果または熱効果またはデバイス５３００などのリング変調器構造によって達成される。一つの事例では、電気光学ゲートは、電荷ベースのシリコンデバイスを含むことができる。別の事例では、電気光学ゲートは、ゲルマニウムオンシリコン（ｇｅｒｍａｎｉｕｍｏｎｓｉｌｉｃｏｎ）の電界吸収ゲート、またはシリコンプラットフォーム上で成長または集積された任意の他の材料を含むことができる。

ゲート検出
時間領域ゲート検出は、図５４に示すように、特定の関心領域に関連付けられた短い間隔の間、検出器を戻り信号に対して露出することができる技術である。方法は、ライダーシステムの視野内に複数の障害物、または薄霧、蒸気、あるいは一般的に雑然とした背景のような遮蔽物がある場合に非常に効果的である。関心範囲に対応する時間間隔の間にのみ検出器のゲートを開くことにより、他のすべての障害物からの戻り信号が排除され、信号対ノイズ比が改善され得る。一つの事例では、高速ゲート５１０２、５２０２、および５３０２を使用して、ゲート検出を実施し、パルスごとに所望の関心範囲を調整することができる。一つの事例では、ゲート５２０２は、２つの出射レーザーパルス間の全時間間隔中に開いて、その結果、遮蔽物５４０１、障害物５４０２、５４０３、５４０４などの視野内の複数の障害物からの信号を示す戻り信号をもたらすことができる。障害物のより高い品質の検出、例えば、関心領域５４０５の障害物のより高い信号対ノイズ比が、ライダーシステムの入力を使用するロボットシステムによって望ましいと仮定すると、一つの事例において、次のパルスにおいて、ゲート５１０２は、障害物５４０２の周囲の関心領域からの戻り信号が検出器に到達すると予想される時間のみ開いて、視野内の他のすべてのノイズ源を除去し、関心範囲に対する信号対ノイズ比の改善がもたらされる。一つの事例では、ゲーティングは、ピクセルアレイ５０００に実装されている各検出器の前のシリコンファブリック上に直接構築された電気光学ゲートを使用して実施することができる。一つの事例では、構成は、シリコンオンインシュレータプラットフォームおよび図５０および５１－５３で説明されているような個別の変調器設計を使用して実施される。複数のゲートは、異なる時間に設定されて、さまざまな関心領域に問い合わせる（ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｅ）ことができる。一つの事例では、レーザーパルス間の全期間中にゲートが開いた後、障害物５４０２の周囲の関心範囲に対応する期間中にゲートが開き、その後、障害物５４０３に対応する関心範囲に対するゲートが開き、その後、障害物５４０４に対応する関心範囲に対応するゲートなどが続く。一つの事例では、ピクセルアレイ５０００の各ピクセルは、図５１～５３に記載されているようなゲーティングピクセルを含むことができる。一つの事例では、ピクセルアレイ５０００の各ピクセルのゲートは、同じフレーム内で様々な深さでサンプリングできるように独立して制御され得る。一つの事例では、アレイをピクセルのサブセットに動的に分割することができ、各サブセットは、複数の関心領域の作成につながる異なる時間ゲートを有し、各関心領域は同じ時間ゲートを有するピクセルのサブセットに対応する。

ガイガーモード（ＧＭ：Ｇｅｉｇｅｒｍｏｄｅ）ＡＰＤ検出
ガイガーモード検出では、降伏電圧を超える短時間の間にＡＰＤがバイアスされ、大きな電圧バイアスの結果、接合部に入射する光子がキャリアのアバランシェを引き起こす。線形モードのＡＰＤ領域とは異なり、ガイガーモードでは、生成されるキャリアの数は入射光子束に比例しない。比例性がなくゲインが非常に高いことに起因して、ＧＭ検出器は、非常に低い光子束で、特にゲートあたりの光子検出確率が１未満（典型的には、ゲートあたり光子検出確率０．２）で最適に動作する。この領域では、ＧＭＡＰＤは、「理想的な」検出器特性、即ち、入射するすべての光子を検出する検出器に近づく。また、このことに起因して、検出器は、入射光子の有無のみを記録するため、本質的にデジタルである。ＡＰＤ検出器を使用してガイガーモードで動作するシステムの場合、出力は、単一の範囲の測定値を生成するために、ヒストグラムとして分析またはプロットされる独立した測定値の集合とすることができる。上記の考慮事項に加えて、高感度と１つの距離測定に寄与するために複数のパルスが必要であることに起因して、ＧＭＡＰＤに基づくシステムは、非常に短いパルス（例えば、ｎｓ以下）および比較的低いピークパワーを用いて高い繰り返し率（例えば、ＭＨｚ以上）で動作するのに有利である。このようなシステムを動作させるためのピークパワーは、送信機とターゲット間の距離に依存して大きく変化し得る。１００メートルを超える範囲を達成するには、１ｎｓの長さおよび２０ｍＷの低さのピーク電力のパルスが使用され得る。１００メートルを超える拡大された範囲に到達するために、１０～１０００ｍＷの範囲など、より大きなピーク電力が使用され得る。送信機のピークパワーとパルス長の制御に加えて、各ピクセルの高速ゲートを使用して、ガイガーモードで動作する検出器に入射する光の量をさらに制御し、かつパルスごとの光子入射確率を調整し得る。

一つの事例では、ピクセルアレイ５０００内の検出器５１０３、５２０３、５３０３はガイガーモードで動作する。検出器の戻り入射信号をゲーティングするために変調器５１０２、５２０２、５３０２が使用される。一つの事例では、検出器上の検出された光子の有無を示すデジタル信号を処理してヒストグラムを作成して、時間ゲートによって規定される関心範囲内の障害物の存在を判断することができる。一つの事例では、シリコンプラットフォーム上に検出器のＧＭアレイを作成できるが、ＩＩＩ－Ｖ半導体などの他の材料システムを使用することもできる。

他の応用のためモジュラーアーキテクチャの変形例（送信機、受信機、レーザー光源のシングルチップ集積化、ＣＷコヒーレント検出）
上記の例は自動車およびその他の大型フォームファクターのプラットフォームに関するものであるが、複数の光学機能のチップスケール集積アプローチに起因して、モジュラーシステム１００の集積例は、小型フォームファクターにおける他の応用および潜在的に長期的には低電力の自動車応用にも適用可能な汎用性を有する。一つの事例では、レーザー光生成モジュールは、１つまたは複数のチャネルを含む送信機ＰＩＣ２００、１つまたは複数のビームステアリングモジュール４０１、および検出モジュール４０２とともに集積される１つのみのダイオードレーザーチップを含み得、図５５および５６に示される事例などのように、低コスト、先進運転支援システム（ＡＤＡＳ）、完全自律型自動車システム、ドローン、小型ロボット応用、その他の応用に適した低フォームファクターパッケージに集積される。

一つの事例では、レーザー光源５５０１は、集積シリコンチップ５５００上に直接ボンディングされる。一つの事例では、集積シリコンチップ５５００は、モノリシックに集積された送信機機能および受信機機能、ならびにシリコンプラットフォーム上にボンディングされた光レーザー光源を含み得る。代替的に、レーザー光源は、チップ外に存在し、格子またはエンドカプラを介してシリコンチップにファイバ結合され得る。

図５５に示された例では、レーザー５５０１からの光信号はシリコン導波路に結合され、かつタップカプラ５５０２の入力に導かれ、タップカプラ５５０２は、光信号を振幅変調器５５０４および位相変調器５５０３を通過するように向けられる第１の信号と、センサアレイ５５０７に局部発振器光を提供するためにスイッチアレイ５５０６への入力に向けられる第２の信号とに分割する。第１の信号は、格子カプラ５５０５を介してチップから出力される。断熱導波路カプラが、格子カプラ５５０５の代わりに使用され得る。この事例では、送信機および受信機の機能がすべて同じチップに集積され、レーザー光源チップがシリコンチップに直接取り付けられ得る。チップ５５００は、図１３に示されるビームステアリングおよび検出モジュール１４００の一部として使用され得る。図示された例では、格子カプラ５５０５からの第１の光信号は、レンズ１４０１によってコリメートされ、ミラー１４０２に向けられる。ミラー１４０２から反射した信号は、ＭＥＭＳミラー１４０３に向けられる。ＭＥＭＳミラー１４０３によって反射された第１の光信号は、ターゲットに向けられる。ミラーは、所望の視野をカバーするためにラスタリングパターンまたはリサージュパターンを実行する。一つの事例では、視野は垂直で２５度、水平で５０度にすることができる。４０～８０度の水平角度の範囲および２５～９０度の垂直角度の範囲などの他の範囲が使用され得る。ターゲットから反射した第１の光信号は、センサアレイ５５０７の格子５５０８により結合され、アレイ５５０７の局部発振器と合成され、電気信号に変換される。上記の事例では、集積のためにシリコンオンインシュレータプラットフォームを使用しているが、他の事例では、ＩｎＰなどの他の材料が使用され得る。

シングルチップ集積構成の代替アプローチには、送信機セクションにおいて、出射信号の位相および振幅を独立して変調する同相／直交変調器の使用が含まれる。受信機セクションにおいて、一つの事例では、１ｘ２熱光学スイッチのツリーの代わりに、図５６Ａで説明されるようなＮアッドドロップリング（ａｄｄｄｒｏｐｒｉｎｇ）構造で構成される１ｘＮ光スイッチを使用することができる。一つの事例では、図５６Ｂに示すように、アッドドロップリングの制御構造は、光モードが主に固有の導波路領域（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃｗａｖｅｇｕｉｄｅａｒｅａ）を伝搬するようにＰＩＮダイオードを含むことができる。ＰＩＮ電荷注入ベースのスイッチを使用する利点は、熱光学スイッチのツリーと比較して優れた速度を提供することである。さらに、ＰＩＮ構造を使用することにより、スイッチのオフモードにおける損失が少なくなる。一つの事例では、スイッチは１ｘ１２８スイッチとすることができる。１ｘ２５６、１ｘ５１２、１ｘ１０２４、または１ｘ６４などの他のスイッチ構成は、ピクセルアレイ５６０７での局所発振器信号の動的、シリアル分配か静的、同時分配かに使用され得る。アレイ内のピクセル数が固定の場合、より大きなスイッチは、局部発振器光が同時に提供されるより小さなブロックを有するアレイの可能性を生み出し、一方、より小さなスイッチは、局部発振器光信号が同時に供給されるより大きなブロックを作成する。図５６Ａに示された例では、レーザー５６１１からの光信号はシリコン導波路に結合され、かつタップカプラ５６１２の入力に導かれ、タップカプラ５６１２は、光信号を同相／直交変調器５６１３を通過するように向けられる第１の信号と、センサアレイ５６１７に局部発振器光を提供するために１ｘＮスイッチ５６１４への入力に向けられる第２の信号とに分割する。第１の信号は、格子カプラ５６１５を介してチップから出力される。断熱テーパー型導波路カプラが、格子カプラ５６１５の代わりに使用され得る。この事例では、送信機および受信機の機能がすべて同じチップに集積され、レーザー光源チップがシリコンチップに直接取り付けられ得る。チップ５６１０は、図１３に示されるビームステアリングおよび検出モジュール１４００の一部として使用され得る。変調方式に関して、ハードウェアプラットフォーム５６１０は、周波数変調連続波ライダープラットフォームを可能にする。周波数変調連続波ライダーは、位相変調を使用して光信号ｆ_０の周波数ｆ_０を新たな周波数ｆ_０＋ｆ_ＩＦにシフトし、同時にＣＷレーザーのチャープ振幅変調によってｆ_０＋ｆ_１とｆ_０＋ｆ_２との間の周波数チャープを実現することができるライダー技法である。中間周波数ｆ_ＩＦは、（ｆ_１＋ｆ_２）／２においてチャープウィンドウ内で中心に配置される。一つの事例では、ｆ_ＩＦは３ＧＨｚとすることができ、チャープウィンドウは１．５ＧＨｚから４．５ＧＨｚとすることができる。１～１０ＧＨｚなどの中間周波数に対する他の周波数範囲が選択され得、チャープは１００ＭＨｚ～５０ＧＨｚの範囲であり得る。Ｉ／Ｑ変調器により、周波数シフトと周波数チャープの両方のタスクを実行することができる。一つの事例において、周波数変調技術は、シリコンオンインシュレータにおいて集積されたトランシーバを用いて実施され得る。ＩＩＩ－ＶまたはＬｉＮｂ、または材料の組み合わせなど、他の材料が実施の際に使用され得る。

一つの事例では、電荷制御１ｘＮスイッチ５６１４の構造が図５６Ｂに示されている。一つの事例では、１ｘ２ＭＭＩスプリッタ５６１２からの第２の信号は、導波路５６２１を介してスイッチ５６１４の第１の要素５６２０に向けられる。「オフ」状態では、光信号は導波路５６２６を通過する。「オン」状態では、ドープされたセクション間に電圧が印加され、電荷が導波路５６２１とリング共振器５６２７との間の結合セクションに注入されて、屈折率の変化が生じる。電荷誘導による屈折率の変化の結果として、第２の光信号は導波路５６２５に向けられる。

図５７Ｂに示す別の事例では、位相変調器５７０３と振幅変調器５７０４の組み合わせの代わりに、同相／直交変調器５７２３を使用することができ、スイッチアレイ５７１１の代わりに、１×Ｎスイッチ５７２４を使用することができる。同相／直交変調器５７２３および１ｘＮスイッチ５７２４は、ＩＱ変調器５６１３および１ｘｎスイッチ５６１４と同じ原理で動作し、同じ目的を果たし得る。より具体的には、ＩＱ変調器を使用して、周波数変調連続波手法を実施し、電荷制御１ｘＮスイッチは、最適な損失バジェット（ｌｏｓｓｂｕｄｇｅｔ）内で局所発振器光信号の高速スイッチングを提供する。

フェーズドアレイアーキテクチャ
光フェーズドアレイは、低損失で効率的なビームステアリングを実現するために必要な性能特性を実現するために、いくつかの競合する設計パラメータ仕様を有する。フェーズドアレイによって生成された光場の遠方場パターンは、中央ピークとそれに続く中央ピークの両側のサイドローブを示す。中央ピークとサイドローブとの間の間隔が最大ステアリング角を規定する。中央ピークとサイドローブとの間の分離角は、次の式で与えられる。

ｓｉｎ（Δφ）＝λ／ｄ
ここで、Δφは、中央の最大値と第１のサイドローブとの間の角度とすることができ、λは光の波長とすることができ、ｄはアンテナ間の間隔とすることができる。中央ピークとサイドローブとの間の大きな間隔、したがって大きなステアリング角を実現するために、アンテナ間の間隔は数波長に維持される必要がある。一方、中央ピークに集中するエネルギーを増加させるには、多数のアンテナが望ましい。最後に、ステアリングを制御するために、導波路が移相器からの光を各アンテナに導く。アレイ内の多数のアンテナの競合するパラメータ仕様、アンテナ間の小さな間隔、および導波路を介したアンテナへのアクセスは、本質的に二次元構造のスケーリングを困難にする。この問題を克服する１つのオプションには、多層アンテナアレイの作成が含まれる。一つの事例では、アンテナの同心正方形リングが異なる垂直層に配置され、内側の正方形は最下層に存在し、外側の正方形リングは構造の最上層に存在する。図５８Ａに示すように、上部および下部位相変調器ブロック５８０２、上部および下部ＭＭＩツリー５８０１はすべて、結晶シリコン最下層に位置する。変調器のブロック５８０２で位相制御が行われた後、選択導波路からの信号は、セクション５８０４上の連続した垂直カプラを介して上位層に垂直に結合される。セクション５８０４の結合長を調整することにより、導波路がオーバーラップを実現し得るセクション５８０３での結合なしで、セクション５８０４での垂直結合の同時実現が可能となる。中央ピークとサイドローブとの間の１５度を超える分離、したがって１５度を超えるステアリング角度を実現するために、アンテナ間の間隔は、非常に小さく、例えば４～５ミクロンであり得る。結果として、１つの正方形リングの幅、したがってセクション５８０３の垂直オーバーラップセクションは、数十ミクロンのオーダーであり得る。一つの事例では、セクション５８０４の垂直カプラは、１０００ミクロンを超えるオーダーの結合長を有するように設計されているため、セクション５８０３の寄生結合は無視できるほど小さい。セクション５８０４の結合長とセクション５８０３の導波路のオーバーラップとの比が１０より大きく、セクション５８０３上の２つの異なる隣接する垂直層における２つの導波路間の寄生結合が１０％以下などで無視できる場合、４００から４０００ミクロンなどの異なる範囲の結合長が使用され得る。一つの事例では、連続する層間の酸化物層５８１１の厚さは、導波路５８１２から導波路５８１３へのモードの結合長が２０００ミクロンとなるようにすることができる。一つの事例では、セクション５８０３のアンテナ間の水平方向の間隔は、両方向で５ミクロンとすることができる。各層で、矩形リングのアンテナは、互いに５ミクロンだけ離間した４つのリングのアンテナを有し得る。３～５０ミクロンなどのアンテナ間の異なる間隔、およびアンテナ間の不等間隔が使用され得る。また、１つの層内に４～２０個のリングの範囲など、１つの層内の異なる数のリングが使用され得る。結果として、層５８１２におけるアンテナにアクセスする導波路と層５８１３におけるアンテナにアクセスする導波路との間の最大オーバーラップは６０ミクロンであり得るが、最適なルーティングにより、このオーバーラップはさらに低減され得る。セクション５８０３の２つの垂直層における導波路の最適なルーティングは、隣接する垂直層に位置する２つの導波路間の光信号の寄生結合を最小化する場合に得られる。この条件は、導波路を分離する酸化物層の厚さを最小化することができる導波路の長さがオーバーラップするときに達成される。導波路５８１２と５８１３との間の光学モードの垂直結合長を２０００ミクロンとすることができる事例では、セクション５８０３の寄生結合は無視できると予想される。セクション５８０４における結合長とセクション５８０３におけるオーバーラップとの比が１０を超えると、寄生結合が小さくなるか、または無視できる程度になる。図５８Ｃ－５８Ｆに示されている事例は、アンテナの３２ｘ３２フェーズドアレイを示す。この事例では、アンテナは、リングの４つの同心状の組に配置され、各組は１つの層に配置されている。各組は、各々５ミクロンだけ離間した４個のリングを含む。このようなアンテナのアレイは、サイドローブ、したがって約１８度のステアリング角を与えると予測される。１２８ｘ１２８、６４ｘ６４などのより大きなエミッタのアレイ、または１６ｘ１６などのより小さなエミッタのアレイが使用され得る。より大きなアレイは、より低発散のビームが生成され、サイドローブの潜在的により良好な抑制がもたらされ得るが、アンテナの制御に関連する位相器の数が増加するので、ステアリングに必要な電力がより大きくなる。１６ｘ１６などのより小さいアレイは、ビーム発散がより大きく、同じアンテナ間間隔に対するサイドローブの抑制が少ないが、消費電力がより低下する。

２つの最上層５８１４および５８１５の各々に関してアンテナおよびアンテナへのアクセス導波路のレイアウトの事例が図５８Ｃ～５８Ｆに示される。一つの事例では、３つのアクセス導波路は、最外側のアンテナの各２つの間でルーティングされる。一つの事例では、２つの連続するアンテナ間の間隔は５ミクロンとすることができ、アクセス導波路間の中心間の間隔は１．２５ミクロンとすることができる。導波路間のサブミクロンなどの密接な分離は、数ミクロンから数十ミクロンなどの短距離でのみ維持されるため、アクセス導波路間の寄生結合は１０％以下など無視できると予想される。

別の事例では、ライダーシステムの視野を決定するフェーズドアレイのステアリング角に対するステアリング角の要件を満たすようにアンテナ間の他の間隔が選択され得る。一つの事例では、高いサイドローブの抑制と、遠方場パターンにおける１５度以上などの中央最大値とサイドローブとの間のより大きな分離またはビームの可変角度発散とを達成するために、アンテナ間の間隔は、アンテナのアレイにわたって可変とすることができる。別の事例では、アンテナ間の間隔に加えて、各アンテナから放射される光信号の位相と、各アンテナから放射される光信号の振幅とが、遠方場において所望のパターンを達成するために変更される。一つの事例では、アレイ内の各アンテナから放射される光信号の振幅および位相を調整することにより、アレイの法線に対する角度、ビームの発散、およびターゲットへの入射点におけるビーム断面の形状を含む遠方場における光信号特性がリアルタイムに調整される。

非対称フェーズドアレイ
別の事例では、ライダーシステムの２方向のステアリング角度仕様に対応するために、ｘ軸およびｙ軸に対してアンテナ間の間隔が異なり、典型的には、水平ステアリング角度仕様は垂直ステアリング角度仕様よりも大幅に大きい。一つの事例では、９度のサイドローブの分離および１８度の垂直方向の視野角に対応するためにアンテナ間の間隔に対して１０ミクロンの間隔が選択され、１８度の中央ピークとサイドローブとの間の分離および１８度の水平方向の視野角に対応するためにアンテナ間の間隔に対して５ミクロンの間隔が選択される。アンテナ間の間隔のための他の範囲は、式に示すように異なるステアリング角度範囲につながる３～５０ミクロンなどを選択することができる。

ｓｉｎ（Δφ）＝λ／ｄ
別の事例では、ライダーシステムの視野に対する全体的な仕様を満たすためにアンテナ間の他の間隔が選択され得る。一つの事例では、アンテナ間の間隔は、所望の遠方場パターンを達成するために、アンテナのアレイにわたって可変とすることができる。別の事例では、アンテナ間の間隔に加えて、各アンテナから放射される光信号の位相と、各アンテナから放射される光信号の振幅とが、遠方場において所望のパターンを達成するために変更される。一つの事例では、アレイ内の各アンテナから放射される光信号の振幅および位相を調整することにより、アレイの法線に対する角度、ビームの発散、およびターゲットへの入射点におけるビーム断面の形状を含む遠方場における光信号特性がリアルタイムに調整される。

連続波コヒーレント検出ベースのシステムの例として、上記で設計されたフェーズドアレイと、受信機および送信機モジュールとの集積とが示されているが、別の事例では、直接強度検出を使用するパルスシステム用に図５９に示すように、フェーズドアレイ５８０１は、同じチップ上にピクセルアレイ５０００および送信機２００ともに集積化することができる。

図６０は、周波数チャープ光ビームを提供するための方法６０００を示す。連続波光源を使用して、光ビームが提供される（ステップ６０１０）。光ビームは、平面導波路に結合され、かつ第１の部分と第２の部分に分割される（ステップ６０２０）。分割された光ビームの第１の部分は、同相変調される（ステップ６０３０）。分割された光ビームの第２の部分は、直交変調される（ステップ６０４０）。第１の変調部分と第２の変調部分とを合成して、周波数チャープ光ビームが形成される（ステップ６０５０）。位相シフトが合成光ビームに提供されて、周波数チャープ光ビームの位相を調整する。分割された光ビームのＮ個の変調された光ビーム間の相対位相オフセットが低減される。光ビームのパワーは、非線形効果の発生が起きる、導波路断面に対応するパワーレベル未満に低減される。非線形損失を低減するために、光ビームのパワーが約５０ｍｗ未満に減少される。

図６１は、光集積回路を使用して光ビームの周波数および位相を検出するための方法６１００を示す。自由空間光ビームの一部が、格子カプラを使用して受信される（ステップ６１１０）。局部発振器と自由空間光ビームの受信した一部とが信号ミキサに提供される（ステップ６１２０）。自由空間光ビームと局部発振器との合計に対応する第１の出力が提供される（ステップ６１３０）。局部発振器と自由空間光ビームとの間の差に対応する第２の出力が提供される（ステップ６１４０）。局部発振器は、複数のミキサに実質的に同時に提供される。局部発振器は、複数の信号ミキサに順次提供される。第１の出力は電気信号に変換され、第２の出力は第２の電気信号に変換され、第１の電気信号と第２の電気信号との間の差を使用してノイズが低減された検出信号が提供される。複数の格子カプラが提供され、複数の格子カプラの格子周期、デューティーサイクルまたは二次元トポロジーは、受信した自由空間光の異なる入射角に対応するために光回路上の位置とともに変化する。ｍ次回折次数に対応する自由空間光は、第１の格子カプラを使用して結合され、ｎ次回折次数に対応する自由空間光は、第１の格子カプラに隣接する第２の格子カプラを使用して結合される。自由空間光ビームの対応する部分は、複数の信号ミキサのサブセットに関して受信され、複数の信号ミキサによって提供される電気信号は同時に処理される。複数のビート周波数または位相は同時にまたは順次検出される。異なる波長の自由空間光ビームが同時に受信される。

図６２は、光ビームの動的ステアリングを提供するための方法６２００を示す。空間的配列の格子カプラを使用して、屈折光学要素に向かって光ビームが放射される（ステップ６２１０）。屈折光学要素を使用して、光ビームがターゲット領域に向けられる（ステップ６２２０）。空間的配列の格子カプラにおいてどの格子カプラが屈折光学要素に向かって光を放射するかを選択することにより、ターゲット領域における光ビームの位置が調整される（ステップ６２３０）。空間的配列の格子カプラは、異なる方向を有するグループに分割される。光ビームの位置は、空間的配列の格子カプラにおいてどの格子カプラが屈折光学要素に向かって光を放射するかを選択することにより、二次元で調整される。屈折光学要素の焦点距離および位置は、約０．１度未満の光ビームの発散を提供するように選択される。マッハツェンダースイッチまたはリングベースのスイッチを使用して、空間的配列の格子カプラのうちのどの格子カプラが屈折光学要素に向かって光を放射するかが選択される。光ビームの発散角は、屈折光学要素を使用して調整される。

図６３は、周波数チャープ光ビームを動的にステアリングするための方法６３００を示す。連続波光源を使用して、光ビームが提供される（ステップ６３１０）。光ビームが平面導波路に結合され、かつ第１の部分と第２の部分に分割される（ステップ６３２０）。分割された光ビームの第１の部分は、同相変調される（ステップ６３３０）。分割された光ビームの第２の部分は、直交変調される（ステップ６３４０）。分割された光ビームの変調された第１の部分と分割された光ビームの変調された第２の部分とが合成されて、周波数チャープ光ビームが形成される（ステップ６３５０）。空間的配列の格子カプラを使用して、屈折光学要素に向かって周波数チャープ光ビームが放射される（ステップ６３６０）。屈折光学要素を使用して、周波数チャープ光ビームがターゲット領域に向けられる（ステップ６３７０）。空間的配列の格子カプラのうちのどの格子カプラが屈折光学要素に向かって光を放射するかを選択することにより、ターゲット領域における周波数チャープ光ビームの位置が調整される（ステップ６３８０）。

図６４は、振幅変調された光ビームを提供し、かつターゲット領域から受信した自由空間光ビームを検出するための方法６４００を示す。光ビームが提供され、かつ半導体光回路内の複数の振幅変調器に結合される（ステップ６４１０）。１つまたは複数の振幅変調器を使用して、光ビームが振幅変調される（ステップ６４２０）。振幅変調された光ビームは、半導体光回路からターゲット領域に向かって出力される（ステップ６４３０）。１つまたは複数の格子カプラを使用して、自由空間光ビームの一部がターゲット領域から受信される（ステップ６４３０）。１つまたは複数の信号振幅変調器を使用して、自由空間光ビームの受信した一部が減衰されて、対応する検出器の飽和が低減される（ステップ６４４０）。

図６５は、誘導ラマン散乱により第１の波長を有する複数の光ビームから第２の波長を有する複数の光ビームを生成するための方法６５００を示す。光ビームは、第１の波長で提供され、光ビームは、２つの異なる波長を合成または分離するように構成される波長選択カプラに結合される（ステップ６５１０）。チューニングリング共振器を使用して、ラマンシフト高調波に対応する波長で１００，０００を超えるＱ係数が提供され、リング共振器を使用して、第１の波長の光の一部がラマンシフト高調波に対応する第２の波長に変換される（ステップ６５２０）。ラマンシフトされた高調波に対応する波長を有する光ビームが、同じ波長の複数の光ビームに分割される（ステップ６５３０）。１つまたは複数の振幅変調器を使用して、分割された光ビームが振幅変調される（ステップ６５４０）。１つまたは複数の振幅変調器から受信した光ビームは、半導体光回路からターゲット領域に向かって出力される（ステップ６５５０）。

上記の詳細な説明には、詳細な説明の一部を形成する添付図面への参照が含まれている。図面は、例示として、本発明を実施することができる特定の例を示している。これらの例は、本明細書では「事例」とも呼ばれる。そのような事例には、図示または説明された要素に加えて要素が含まれる。しかしながら、本発明者らは、図示または説明された要素のみが提供される事例も企図している。さらに、本発明者らは、特定の事例（またはその１つまたは複数の態様）に関して、または図示または説明した他の事例（またはその１つまたは複数の態様）に関して、図示または説明した要素（またはその１つまたは複数の態様）の任意の組み合わせまたは順列を使用した事例を企図している。
本明細書と参照により組み込まれている文献との間に矛盾した使用法がある場合、本明細書の使用法が優先する。

本明細書では、特許明細書で一般的であるように、「ａ」または「ａｎ」という用語は、「少なくとも１つ」または「１つ又は複数」の他の事例または使用法とは無関係に、１つまたは複数を含むように使用される。本明細書では、「または」という用語は、非排他的を意味するのに用いられ、または「ＡまたはＢ」は、特に明記しない限り、「ＡではあるがＢではない」、「ＢではあるがＡではない」、および「ＡおよびＢ」を含む。本明細書では、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「そこで（ｉｎｗｈｉｃｈ）」という用語は、個々の用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および「ここで（ｗｈｅｒｅｉｎ）」の平易な英語の等価物として使用される。また、以下の特許請求の範囲において、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語はオープンエンドであり、すなわち、請求項に記載された要素に加えて、その用語の後に記載された要素を含むシステム、装置、物品、組成物、製剤、または方法は、依然として特許請求の範囲にあると見なされる。さらに、以下の特許請求の範囲において、「第１」、「第２」、「第３」などの用語は単にラベルとして使用され、それらの対象に数値要件を課すことを意図していない。

本明細書で説明する方法の例は、少なくとも部分的に機械またはコンピューターで実施することができる。いくつかの事例は、上記の事例で説明した方法を実行するように電子デバイスを構成するように動作可能な命令がエンコードされたコンピューター読み取り可能な媒体または機械読み取り可能な媒体を含み得る。そのような方法の実施には、マイクロコード、アセンブリ言語コード、高レベル言語コードなどのコードが含まれる。そのようなコードは、さまざまな方法を実行するためのコンピューター読み取り可能な命令を含んでもよい。コードは、コンピュータープログラム製品の一部を形成する。さらに、一つの事例では、コードは、実行中または他のタイミングになど、１つまたは複数の揮発性、非一時的、または不揮発性の有形のコンピューター可読媒体に有形に格納され得る。これらの有形のコンピューター読み取り可能なメディアの例には、ハードディスク、リムーバブル磁気ディスク、リムーバブル光ディスク（例えば、コンパクトディスクおよびデジタルビデオディスクなど）、磁気カセット、メモリーカードまたはスティック、ランダムアクセスメモリー（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）などが含まれる。

上記の説明は例示的なものであり、限定的なものではない。例えば、上述の事例（またはその１つまたは複数の態様）は、互いに組み合わせて使用されてもよい。上記の説明を検討した上で、当業者などによって他の例が使用される。要約は、読者が技術的開示の本質を迅速に確認できるようにするために提供されている。本明細書は、特許請求の範囲の範囲または意味を解釈または制限するために使用されないことを理解して提出される。また、上記の詳細な説明では、開示を合理化するためにさまざまな機能をグループ化することができる。これは、特許請求の範囲に記載されていない開示された機能が特許請求の範囲に不可欠であることを意図していると解釈されるべきではない。むしろ、発明の主題は、特定の開示された事例のすべての特徴よりも少ないことにあり得る。したがって、以下の特許請求の範囲は、事例として詳細な説明に組み込まれ、各請求項は別個の事例として独立しており、そのような事例は、さまざまな組み合わせまたは順列で互いに組み合わせることができることが企図される。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲を参照して、そのような特許請求の範囲で権利を与えられる均等物の全範囲とともに決定されるべきである。

Claims

光ビームをステアリングするための半導体光回路であって、
光源からの光ビームを提供するための連続波光源カプラと、
前記連続波光源カプラからの光ビームを第１の部分と第２の部分とに分割するように構成されるスプリッタと、
前記光ビームの前記第１の部分の同相変調を適用するように構成される第１の変調器と、
前記光ビームの前記第２の部分の直交変調を提供するように構成される第２の変調器と、
前記第１の変調器および前記第２の変調器の出力を合成して、周波数チャープ光ビームを形成するように構成される出力カプラと、
空間的配列の複数の格子カプラであって、前記複数の格子カプラの少なくとも１つが導波路から光を受信し、受信した光を屈折光学要素に向かって放射するように構成され、前記屈折光学要素は、放射光をターゲット領域に向けるように構成される、前記空間的配列の複数の格子カプラと、
前記空間的配列の複数の格子カプラにおいて前記導波路から光を受信する格子カプラを選択することにより、前記ターゲット領域における光ビームの位置を調整するように構成される１つまたは複数の光スイッチとを備える半導体光回路。
前記半導体光回路がシリコンを含む、請求項１に記載の半導体光回路。
前記半導体光回路が化合物半導体を含む、請求項１に記載の半導体光回路。
光ビームの波長が約１３００～１６００ｎｍの範囲にある、請求項１に記載の半導体光回路。
前記連続波光源カプラ、前記スプリッタ、前記第１の変調器、前記第２の変調器、前記出力カプラ、前記空間的配列の複数の格子カプラ、および前記１つまたは複数の光スイッチはモノリシックに集積される、請求項１に記載の半導体光回路。
前記出力カプラは、１つの光スイッチに光を提供する、請求項１に記載の半導体光回路。
前記光ビームの前記第１の部分または前記第２の部分の位相を調整するように構成される１つまたは複数の移相器をさらに備える、請求項１に記載の半導体光回路。
前記１つまたは複数の移相器は、前記第１の変調器からの変調された光の第１の部分を位相シフトする第１の移相器と、前記第２の変調器からの変調された光の第２の部分を位相シフトする第２の移相器とを含む、請求項７に記載の半導体光回路。
半導体光回路を使用して光を処理する方法であって、
連続波光源カプラを使用して光ビームを生成するステップと、
前記光ビームを第１の部分と第２の部分とに分割するステップと、
第１の変調器を使用して、分割された光ビームの前記第１の部分を同相変調するステップと、
第２の変調器を使用して、分割された光ビームの前記第２の部分を直交変調するステップと、
出力カプラを使用して、前記光ビームの変調された第１の部分と変調された第２の部分とを合成することにより周波数チャープ光ビームを生成するステップと、
空間的配列の複数の格子カプラを使用して、屈折光学要素を使用して前記周波数チャープ光ビームをターゲット領域に向けるステップと、
別の格子カプラを使用して、前記ターゲット領域から自由空間光ビームの一部を受信するステップと、
１つまたは複数の光スイッチを使用して、前記空間的配列の複数の格子カプラにおいて導波路から光を受信する格子カプラを選択することにより、前記ターゲット領域における光ビームの位置を調整するステップとを含む方法。
局部発振器と、前記別の格子カプラからの自由空間光ビームの受信した一部とを信号ミキサに提供するステップをさらに含む請求項９に記載の方法。
自由空間光ビーム場と局部発振器光ビーム場との合計に対応する第１の出力と、前記自由空間光ビーム場と前記局部発振器光ビーム場との間の差に対応する第２の出力とを提供するステップをさらに含む請求項１０に記載の方法。
前記半導体光回路がシリコンを含む、請求項９に記載の方法。
前記半導体光回路が化合物半導体を含む、請求項９に記載の方法。
光ビームの波長が約１３００～１６００ｎｍの範囲にある、請求項９に記載の方法。
前記連続波光源カプラ、前記第１の変調器、前記第２の変調器、前記出力カプラ、前記空間的配列の複数の格子カプラ、および前記１つまたは複数の光スイッチはモノリシックに集積される、請求項９に記載の方法。
前記出力カプラは、１つの光スイッチに光を提供する、請求項９に記載の方法。
前記光ビームの前記第１の部分または前記第２の部分の位相を調整するように構成される１つまたは複数の移相器をさらに備える、請求項９に記載の方法。
前記１つまたは複数の移相器は、前記第１の変調器からの変調された光の第１の部分を位相シフトする第１の移相器と、前記第２の変調器からの変調された光の第２の部分を位相シフトする第２の移相器とを含む、請求項１７に記載の方法。