(57)【要約】【課題】自由空間波長λ０を有するコヒーレント光ビームから遠視野放射パターンを形成するための光フェーズドアレイと、光フェーズドアレイを使用して遠視野放射パターンを形成する、対応する方法とを提供すること。【解決手段】多数のナノフォトニックアンテナ素子から形成された光フェーズドアレイは、遠視野に複雑な画像を投影するために使用され得る。ナノフォトニックアンテナ素子及び導波路を含むこれらのナノフォトニックフェーズドアレイは、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）プロセスを使用して、シリコンの単一のチップ上に形成され得る。方向性結合器は、導波路からの光をナノフォトニックアンテナ素子にエバネッセント結合させ、これは、その光を、放出されたビームが遠視野内で干渉し、所望のパターンを生成するように選択された位相及び振幅を伴うビームとして放出する。【選択図】図１Ａ
2018049299.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
本明細書に記載の発明。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）項の下で、２０１３年１月８日に出願されたＵ．Ｓ．  Ｐｒｏｖｉｓｉｏｎａｌ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ６１／７４９，９６７、表題「Ｌａｒｇｅ−Ｓｃａｌｅ  Ｎａｎｏｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｐｈａｓｅｄ  Ａｒｒａｙ」の優先権を主張するものであり、本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
政府支援
本発明は、米国国防高等研究計画局によって授与された契約番号ＨＲ００１１−１２−２−０００７の下で、かつ米国エネルギー省によって授与された助成金番号ＤＥ−ＡＣ０４−９４ＡＬ８５０００の下で、政府支援下で行われた。政府は、本発明においてある特定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
高周波の電磁気フェーズドアレイは公知であり、通信からレーダー、放送、及び天文学までの範囲の応用を可能にしてきた。大規模なフェーズドアレイを伴う、恣意的な放射パターンを生成する能力が、長い間求められてきた。大規模な高周波フェーズドアレイを配置することは、極端に高価で厄介であるものの、光フェーズドアレイは、はるかにより短い光波長が、大規模の集積に有望であるということにおいて、独特な利点を有する。しかしながら、短い光波長は、製作に最も緊縮した要件もまた課す。その結果、光フェーズドアレイが様々なプラットフォームを伴って、及び最近ではチップ規模のナノフォトニックを伴って、研究されてきたものの、今日までに実証された光フェーズドアレイは、一次元アレイまたは小規模の二次元アレイである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の実施形態は、自由空間波長λ０を有するコヒーレント光ビームから遠視野放射パターンを形成するための光フェーズドアレイと、光フェーズドアレイを使用して遠視野放射パターンを形成する、対応する方法と、を含む。光フェーズドアレイの一実施例には、導波路と同じ平面内に配設される複数のアンテナ素子にエバネッセント結合される少なくとも１つの導波路が含まれる。動作において、この導波路は、遠視野放射パターンを形成するようにコヒーレント光ビームのそれぞれの部分を放出するために、コヒーレント光ビームをアンテナ素子に誘導する。
【０００５】
いくつかの場合では、光フェーズドアレイは、１つ以上の行導波路にエバネッセント結合される、列導波路を備える。この列導波路は、コヒーレント光ビームを第１の方向で行導波路まで誘導し、行導波路はコヒーレント光ビームアンテナ素子のそれぞれの部分を誘導する。例えば、光フェーズドアレイは、第１の結合効率を伴う第１の方向性結合器を介して、列導波路にエバネッセント結合される第１の行導波路と、第２の結合効率を有する第２の方向性結合器を介して、列導波路にエバネッセント結合される第２の行導波路と、を含み得る。実装に依存して、例えば、第１の行導波路に結合される光パワーの量が、第２の行導波路に結合される光パワーの量と約同等であることを保証するために、第１の結合効率は第２の結合効率よりも小さくあり得る。所望であれば、導波路は、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）プロセスによって形成され得る。
【０００６】
光フェーズドアレイ内のアンテナ素子は、λ０／２の整数倍と約同等のピッチまたは約λ０／２以下のピッチを含む、任意の適切なピッチで離間され得る。アンテナ素子は、ほぼ同等の振幅であるコヒーレント光ビームのそれぞれの部分を放出もまたし得る。いくつかの場合では、それぞれのアンテナ素子は、遠視野放射パターンを形成するようにコヒーレント光ビームの対応する部分の少なくとも一部を回析する格子を含み得る。それぞれの格子は、少なくとも約１００ｎｍの半値全幅回析帯域幅を有し得る。そして、それぞれの格子は、コヒーレント光ビームの対応するそれぞれの部分の共鳴後方反射を抑制するように構成され得る。
【０００７】
いくつかの場合では、光フェーズドアレイは、それぞれが対応するアンテナ素子と光通信する、複数の可変光遅延線を含み得る。動作において、この可変光遅延線は、遠視野放射パターンの振幅分布を変化させ、かつ／または少なくとも１つの導波路内の位相誤差を補償するようにコヒーレント光ビームの対応する部分の位相をシフトするために使用され得る。それぞれの可変光遅延線は、ドープ半導体内に形成される抵抗ヒーター等の、対応するヒーターによって作動させられ得る。動作において、このヒーターは、可変光遅延線によってコヒーレント光ビームの対応する部分上に与えられる位相内のシフトを変更するために、可変光遅延線の少なくとも一部を加熱する。ヒーターに動作可能に結合されるコントローラは、可変光遅延線によってコヒーレント光ビームの対応する部分上に与えられる位相内のシフトにおける変更を介して、遠視野放射パターンを変化させるために、ヒーターの温度を制御し得る。
【０００８】
別の実施形態では、光フェーズドアレイは、基板と、列導波路と、複数の方向性結合器と、複数の行導波路と、複数の位相シフターと、複数のアンテナ素子と、複数の制御可能なヒーターと、を備える。列導波路、方向性結合器、行導波路、位相シフター、及びアンテナ素子は、基板内またはその上に形成される。動作において、列導波路は、約λ０の自由空間波長を有するコヒーレント光ビームを、方向性結合器に誘導し、これは、列導波路からのコヒーレント光ビームのそれぞれの部分を、行導波路にエバネッセント結合させる。行導波路は、これらの「行ビーム」の部分を、そのうちのそれぞれが、対応する位相シフトビームを生成するために、対応する行ビームの対応する部分に、対応する位相シフトを与える、位相シフターへ誘導しエバネッセント結合する。それぞれの位相シフターは、その対応する位相シフトビームを、複数のアンテナ素子のうちの特定のアンテナ素子に結合させる。アンテナ素子は、遠視野放射パターンを形成するように位相シフトビームを基板に対するある角度で放出する。そして、制御可能なヒーターは、位相シフトを変化させるために位相シフターを加熱し、これは、順に、遠視野放射パターンを変化させ、かつ／または列導波路及び／もしくは行導波路における位相誤差を補償する。
【０００９】
前述の概念と下記でより詳細に記載される追加の概念との全ての組み合わせは（かかる概念が相互に矛盾しないならば）、本明細書に開示される発明の主題の一部であると企図されるということが理解されるべきである。具体的には、本開示の最後に現れる請求される主題の全ての組み合わせは、本明細書に開示される発明の主題の一部であると企図される。参照により組み込まれる任意の開示においてもまた現れ得る、本明細書で明白に用いられる用語には、本明細書に開示される具体的な概念と最も一貫する意味が与えられるべきであるということもまた理解されるべきである。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
自由空間波長λ０を有するコヒーレント光ビームから遠視野放射パターンを形成するための光フェーズドアレイであって、
前記コヒーレント光ビームを誘導するための少なくとも１つの導波路と、
前記遠視野放射パターンを形成するように前記コヒーレント光ビームのそれぞれの部分を放出するための、前記少なくとも１つの導波路の平面内に配設され、かつ前記少なくとも１つの導波路にエバネッセント結合される複数のアンテナ素子と、を備える、前記光フェーズドアレイ。
（項目２）
前記少なくとも１つの導波路が、
前記コヒーレント光ビームを第１の方向に誘導するための列導波路と、
前記コヒーレント光ビームの第１の部分を前記複数のアンテナ素子のうちの少なくとも１つのアンテナ素子へと誘導するための、前記列導波路にエバネッセント結合される少なくとも１つの行導波路と、を備える、項目１に記載の光フェーズドアレイ。
（項目３）
前記少なくとも１つの行導波路が、
第１の振幅を有する前記コヒーレント光ビームの前記第１の部分を誘導するための、第１の結合効率を有する第１の方向性結合器を介して前記列導波路にエバネッセント結合される第１の行導波路と、
第２の振幅を有する前記コヒーレント光ビームの第２の部分を誘導するための、第２の結合効率を有する第２の方向性結合器を介して前記列導波路にエバネッセント結合される第２の行導波路と、を備える、項目２の光フェーズドアレイ。
（項目４）
前記第１の結合効率及び前記第２の結合効率が、前記第１の振幅が前記第２の振幅とほぼ同等となるように選択される、項目３に記載の光フェーズドアレイ。
（項目５）
前記少なくとも１つの導波路が、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）プロセスによって形成される、項目１に記載の光フェーズドアレイ。
（項目６）
前記複数のアンテナ素子が、λ０／２の整数倍と約同等のピッチで離間される、項目１に記載の光フェーズドアレイ。
（項目７）
前記複数のアンテナ素子が、約λ０／２以下のピッチで離間される、項目１に記載の光フェーズドアレイ。
（項目８）
前記複数のアンテナ素子によって放出される前記コヒーレント光ビームの前記それぞれの部分が、ほぼ同等の振幅のものである、項目１に記載の光フェーズドアレイ。
（項目９）
前記遠視野放射パターンの振幅分布を変化させ、かつ／または前記少なくとも１つの導波路における位相誤差を補償するように前記コヒーレント光ビームの対応する部分の位相をシフトするための、前記複数のアンテナ素子のうちの少なくとも１つのアンテナ素子と光通信する少なくとも１つの可変光遅延線をさらに備える、項目１に記載の光フェーズドアレイ。
（項目１０）
前記少なくとも１つの可変光遅延線によって前記コヒーレント光ビームの前記対応する部分上に与えられる前記位相シフトを変更するように前記少なくとも１つの可変光遅延線の少なくとも一部を加熱するための、前記少なくとも１つの可変光遅延線と熱通信する少なくとも１つのヒーターをさらに備える、項目９に記載の光フェーズドアレイ。
（項目１１）
前記少なくとも１つのヒーターが、ドープ半導体内に形成される抵抗ヒーターを備える、項目１０に記載の光フェーズドアレイ。
（項目１２）
前記少なくとも１つの可変光遅延線によって前記コヒーレント光ビームの前記対応する部分上に与えられる前記位相シフトの変更を介して、前記遠視野放射パターンを変化させるように前記少なくとも１つのヒーターの温度を制御するための、前記少なくとも１つのヒーターに動作可能に結合されるコントローラをさらに備える、項目１０に記載の光フェーズドアレイ。
（項目１３）
前記遠視野放射パターンを形成するように前記コヒーレント光ビームの前記対応する部分の少なくとも一部を回析するための、前記少なくとも１つの可変光遅延線と光通信する格子をさらに備える、項目９に記載の光フェーズドアレイ。
（項目１４）
前記格子が、少なくとも約１００ｎｍの半値全幅回析帯域幅を有する、項目１３に記載の光フェーズドアレイ。
（項目１５）
前記格子が、前記コヒーレント光ビームの前記対応するそれぞれの部分の共鳴後方反射を抑制するように構成される、項目１３に記載の光フェーズドアレイ。
（項目１６）
自由空間波長λ０を有するコヒーレント光ビームから光フェーズドアレイの遠視野内に遠視野放射パターンを作成する方法であって、前記光フェーズドアレイが少なくとも１つの導波路と、前記少なくとも１つの導波路の平面内に配設される複数のアンテナ素子と、を備え、前記方法が、
（Ａ）前記少なくとも１つの導波路を介して前記コヒーレント光ビームを誘導することと、
（Ｂ）前記少なくとも１つの導波路からの前記コヒーレント光ビームのそれぞれの部分を、前記複数のアンテナ素子中のそれぞれのアンテナ素子にエバネッセント結合させることと、
（Ｃ）前記遠視野放射パターンを生成するように前記コヒーレント光ビームの前記それぞれの部分を前記それぞれのアンテナ素子から放出することと、を含む、前記方法。
（項目１７）
（Ａ）列導波路からの前記コヒーレント光ビームの第１の部分を、少なくとも１つの行導波路にエバネッセント結合させることを含み、かつ
（Ｂ）前記少なくとも１つの行導波路からの前記コヒーレント光ビームの前記それぞれの部分を、前記それぞれのアンテナ素子にエバネッセント結合させることを含む、項目１６に記載の方法。
（項目１８）
（Ａ）が、
（Ａ１）前記列導波路からの前記コヒーレント光ビームの前記第１の部分を、第１の結合効率を有する第１の方向性結合器を介して、第１の行導波路にエバネッセント結合させることであって、前記コヒーレント光ビームの前記第１の部分が第１の振幅を有する、前記エバネッセント結合させることと、
（Ａ２）前記列導波路からの前記コヒーレント光ビームの第２の部分を、第２の結合効率を有する第２の方向性結合器を介して、第２の行導波路にエバネッセント結合させることであって、前記コヒーレント光ビームの前記第２の部分が第２の振幅を有し、前記第２の結合効率が、前記第２の振幅が前記第１の振幅とほぼ同等になるように選択される、前記エバネッセント結合させることと、を含む、項目１７に記載の方法。
（項目１９）
（Ａ）が、前記コヒーレント光源からの前記コヒーレント光ビームを、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）プロセスによって形成される第１の導波路に結合させることを含む、項目１６に記載の方法。
（項目２０）
（Ｂ）が、少なくとも１つの導波路からのほぼ同等の振幅のそれぞれの部分を、前記複数のアンテナ素子に結合させることを含む、項目１６に記載の方法。
（項目２１）
（Ｃ）が、λ０／２の整数倍と約同等のピッチで前記複数のアンテナ素子から前記コヒーレント光ビームの前記それぞれの部分を放出することを含む、項目１６に記載の方法。
（項目２２）
（Ｃ）が、約λ０／２以下のピッチで前記複数のアンテナ素子から前記コヒーレント光ビームの前記それぞれの部分を放出することを含む、項目１６に記載の方法。
（項目２３）
前記遠視野放射パターンを変化させ、かつ／または前記少なくとも１つの導波路における位相誤差を補償するように、前記複数のアンテナ素子中の第１のアンテナ素子と光通信する少なくとも１つの光遅延線を用いて前記コヒーレント光ビームの前記それぞれの部分のうちの少なくとも１つの位相をシフトすることをさらに含む、項目１６に記載の方法。
（項目２４）
前記少なくとも１つの光遅延線によって前記コヒーレント光ビームの前記それぞれの部分のうちの前記少なくとも１つに与えられる前記位相シフトを変更するように、前記少なくとも１つの光遅延線の少なくとも一部を加熱することをさらに含む、項目２３に記載の方法。
（項目２５）
約λ０の自由空間波長を有するコヒーレント光ビームから遠視野放射パターンを形成するための光フェーズドアレイであって、
基板と、
前記コヒーレント光ビームを誘導するための前記基板内またはその上に形成される列導波路と、
複数の行ビームを生成するように前記列導波路からの前記コヒーレント光ビームのそれぞれの部分をエバネッセント結合させるための前記基板内またはその上に形成される複数の方向性結合器と、
前記基板内またはその上に形成される複数の行導波路であって、前記複数の行導波路中のそれぞれの行導波路が、前記複数の行ビームを誘導するために前記複数の方向性結合器中の対応する方向性結合器と光通信する、前記複数の行導波路と、
前記基板内またはその上に形成される複数の位相シフターであって、前記複数の位相シフター中のそれぞれの位相シフターが、前記複数の行導波路中の対応する行導波路にエバネッセント結合され、かつ対応する位相シフトビームを生成するように前記複数の行ビーム中の前記対応する行ビームの対応する部分に対応する位相シフトを与えるように構成される、前記複数の位相シフターと、
前記基板内またはその上に形成される複数のアンテナ素子であって、前記複数のアンテナ素子中のそれぞれのアンテナ素子が、前記複数の位相シフター中の対応する位相シフターと光通信し、かつ前記遠視野放射パターンを形成するように前記対応する位相シフトビームを前記基板に対するある角度で放出するように構成される、前記複数のアンテナ素子と、
複数の独立制御可能なヒーターであって、前記複数の独立制御可能なヒーター中のそれぞれの独立制御可能なヒーターが、前記複数の位相シフター中の対応する位相シフターと熱通信し、かつ前記遠視野放射パターンを変化させ、かつ／または前記列導波路及び／もしくは前記複数の行導波路における位相誤差を補償するために、前記対応する位相シフトを変化させるように前記それぞれの位相シフターを加熱するように構成される、前記複数の独立制御可能なヒーターと、を備える、前記光フェーズドアレイ。
（項目２６）
前記複数の方向性結合器中のそれぞれの方向性結合器が、前記複数の行ビーム中の前記行ビームがほぼ同等の振幅を有するように選択される長さを有する、項目２５に記載の光フェーズドアレイ。
（項目２７）
前記複数のアンテナ素子が、少なくとも約４０９６個のアンテナ素子を備える、項目２５に記載の光フェーズドアレイ。
【００１０】
当業者は、図面が主に例示的な目的のためであり、本明細書に記載される発明の主題の範囲を限定することを意図するものではないということを理解するであろう。図面は、必ずしも一定の縮尺ではなく、いくつかの場合では、本明細書に開示される発明主題の様々な態様は、異なる特徴の理解を容易にするために、図面において誇張または拡大されて示され得る。図面においては、同様の参照文字は、概して同様の特徴（例えば機能的に同様及び／または構造的に同様な素子）を指す。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】６４×６４素子の光フェーズドアレイ（挿入図は、光フェーズドアレイのユニットセルまたはピクセルを示す）を例示する。
【図１Ｂ】同等の量の光パワーを複数の行導波路に結合させるバス導波路を伴う、図１Ａの光フェーズドアレイにおける使用に好適な電力供給ネットワークを示す。
【図１Ｃ】図１Ａの６４×６４ナノフォトニックフェーズドアレイにおける、バスから行への結合器（上部曲線）及び行からユニットへの結合器（中間曲線）についての、結合器の長さ（左軸）及び結合効率（右軸）対行／列インデックスのプロットである。
【図１Ｄ】方向性結合器、位相シフター、及びナノフォトニックアンテナ素子を伴う、図１Ａの光フェーズドアレイのユニットセル（ピクセル）を示す。
【図２Ａ】熱光学位相調整を使用する、８×８素子の活性光フェーズドアレイの模式図である。
【図２Ｂ】図２Ａの活性光フェーズドアレイ内の熱光学的に調整されたピクセルの模式図である。
【図３Ａ】液体系位相調整を使用する、１２×１２素子の活性光フェーズドアレイの模式図である。
【図３Ｂ】図３Ａの活性光フェーズドアレイ内の液体調整されたピクセルの模式図である。
【図４Ａ】光フェーズドアレイにおける使用に好適なナノフォトニックアンテナの近視野放出の、三次元の有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）模擬のプロットである。
【図４Ｂ】近視野から遠視野への変換を使用して、図４Ａにおいて図示される近視野放出から計算される、光ナノアンテナの遠視野放射パターンの極座標プロットである。
【図４Ｃ】遠視野において、図２Ａに示される６４×６４素子の光フェーズドアレイによって放出される、模擬された放射パターン（ここではマサチューセッツ工科大学（ＭＩＴ）のロゴが示されている）の極座標プロットである。
【図４Ｄ】図４Ｃに示される模擬された放射パターンの円形区域の極座標プロットである。
【図５】大規模ナノフォトニックフェーズドアレイのためのアンテナ合成を例示するブロック図である。
【図６】図６Ａは、λ０／２のピクセルピッチを伴う６４×６４光フェーズドアレイによって放出される、模擬された遠視野アレイ因子パターン（この場合は「ＭＩＴ」のロゴ）を示す。図６Ｂは、異なる角度で伝播する複数のビームのため、例えば光自由空間通信のために、λ０／２のピクセルピッチを伴う６４×６４光フェーズドアレイによって放出される、模擬された遠視野アレイ因子パターンを示す。図６Ｃは、図６Ａに示される遠視野アレイ因子パターンを生成するために使用される、６４×６４光フェーズドアレイをわたる位相分布のカラープロットである。図６Ｄは、図６Ｂに示される遠視野アレイ因子パターンを生成するために使用される、６４×６４光フェーズドアレイをわたる位相分布のカラープロットである。
【図７】理想の位相φｍｎに、σ＝０（すなわち位相雑音なし、図７Ａ）、σ＝π／１６（図７Ｂ）、σ＝π／８（図７Ｃ）、及びσ＝π／４（図７Ｄ）の標準偏差を伴うガウス位相雑音εｍｎを追加することによって模擬される、異なる位相雑音レベルを伴う、模擬された遠視野アレイ因子パターンである。
【図８Ａ】製作された６４×６４素子の光フェーズドアレイの走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。
【図８Ｂ】図８Ａに示される、製作された６４×６４素子の光フェーズドアレイ内のピクセルのＳＥＭである。
【図９Ａ】光フェーズドアレイにおける使用に好適な、製作されたナノフォトニックアンテナのＳＥＭである。
【図９Ｂ】上向き放出（一番上の曲線）、下向き放出（真ん中上方の曲線）、屈折（真ん中下方の曲線）、及び透過（一番下の曲線）における、図９Ａのナノフォトニックアンテナについての、模擬された放出効率対放出波長のプロットである。
【図１０Ａ】光フェーズドアレイの近視野及び遠視野を観察するために使用される撮像システムの図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａの撮像システムを使用して得られる、図８Ａに示される光フェーズドアレイの近視野画像である。
【図１０Ｃ】図１０Ｂに示される近視野の８×８ピクセル部分の拡大図である。
【図１０Ｄ】光フェーズドアレイ内のピクセルからの光放出の、測定される強度分布のヒストグラムである。
【図１０Ｅ】図１０Ａの撮像システムを使用して得られた、図１Ｂに示される光フェーズドアレイの遠視野（フーリエ平面）画像である。
【図１０Ｆ】図１０Ａの撮像システムを使用して得られた、図８Ｂに示される光フェーズドアレイの３２×３２ピクセル部分の、遠視野（フーリエ平面）画像である。
【図１１】照準ビーム（図１１Ａ）、６°で垂直に操縦された焦点ビーム（図１１Ｂ）、６°で水平に操縦された焦点ビーム（図１１Ｃ）、２つのビームに垂直に分割された単一ビーム（図１１Ｄ）、及び４つのビームに水平に分割された単一ビーム（図１１Ｅ）、を放出する、図２Ａの光フェーズドアレイの、位相分布（一番上の行）、模擬された遠視野放射パターン（真ん中の行）、及び測定された遠視野放射パターン（一番下の行）を例示する。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本技術の実施例には、比較的小さいフットプリント内のシリコンチップ上に、高密度集積光ナノアンテナを伴う、ナノフォトニックフェーズドアレイ（ＮＰＡ）とも呼ばれる、大規模二次元光フェーズドアレイが挙げられる。例えば、例示的なＮＰＡには、約５７６μｍ×５７６μｍの区域内の、６４×６４素子のアレイ内に配置される、４，０９６個のアンテナ素子が挙げられ得る。本明細書に開示される頑丈なＮＰＡ設計は、最新式の相補型金属酸化物半導体技術と一緒に、大規模ＮＰＡがコンパクトで安価なナノフォトニックチップ上で実装されることを可能にする。
【００１３】
ＮＰＡは、その高周波（ｒｆ）相対物と同様に、ナノアンテナ、ナノフォトニックアンテナ、アンテナ素子、または単に素子としても既知の、光アンテナのアレイを備える。例えば、ＮＰＡは、おおよそ光波長の距離で分離される素子を伴う、周期的な二次元アレイ内に配置される、同一の光アンテナの組を含み得る。他の実施例では、このアレイは非周期的（例えば無作為またはまばら）及び／または一次元であり得る。アレイ内のそれぞれの光アンテナは、特定の振幅及び位相の光を放出する。これらの放出が干渉して所望の遠視野放射パターンを形成する。光アンテナによって放出されるビームの振幅及び／または位相を変化させることは、遠視野放射パターンが変更することを引き起こす。
【００１４】
光は比較的短い波長（例えば約１ミクロンの波長）を有するため、ＮＰＡは、コンパクトな低経費のチップ内に、何千またはさらには何百万ものアンテナ素子を含むことができる。多数のアンテナを組み込むことによって、ＮＰＡは、ほぼ恣意的な放射パターンを含む、高解像度の遠視野パターンを生成することができ、これは、従来のビーム焦点化及び操縦を超えるＮＰＡ機能性を与える。しかしながら、ナノ規模の機能ですら、特定の遠視野放射パターンを形成するために、パワーが均衡し、かつ位相が整列した、何千ものナノアンテナからの光放出の、位相及びパワーを均衡させる能力に影響を与えるため、短い光波長は、かかる大規模なＮＰＡからのコヒーレントな出力を実現することにおいて困難もまた提供する。結果として、今日までに実証される、チップベースの二次元ＮＰＡは、１６個以下のアンテナ素子と、単一のビームを焦点化及び操縦することに制限される機能性と、を伴う、小規模の実装であった。
【００１５】
対照的に、本明細書に開示されるＮＰＡの実施例は、より多くのアンテナ素子を含むことができ、かつ相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）プロセスを使用して製作することができる。一実施例では、ＮＰＡは、遠視野内に特定の放射パターン（例えばＭＩＴのロゴ）を生成するために、全てパワーが均衡しかつ位相が整列した４，０９６個の光ナノアンテナを伴い、シリコンチップ上の６４×６４光ナノアンテナを備える。（光学的には、遠視野は、典型的に、フランホーファー近似が適用される、すなわち約Ｌ＞Ｗ２／λ以上の距離の領域として定義され、式中Ｗはアパーチャの大きさであり、λは放出された光の波長である。）このパワー均衡及び位相整列は、特定の遠視野放射パターンの反復可能な生成を補償するために、固定され得る。実験結果は、短い光波長及び位相素子の対応する長さにも関わらず、アンテナ素子によって放出されるビームの位相が維持され得ることを示し、ナノフォトニックチップ内で光場の位相の恣意的な操作を作る能力を強調する。
【００１６】
他の実施例では、アレイ内のそれぞれのアンテナ素子は、活性位相調整のための対応する位相調整器を含む。ＮＰＡ内のアンテナ素子の相対的な位相を調整することは、ＮＰＡによって放出されるビームを動的に操縦する及び／または形状化することを可能にする。多数のアンテナ素子を伴う動的な位相調整は、より洗練された遠視野放射パターンの生成もまた可能にし、ビーム焦点化及びビーム操縦を超えて、フェーズドアレイの機能性を拡大する。
【００１７】
多数のナノアンテナ及び組み込まれた位相調整可能性は、ＮＰＡが恣意的な遠視野放射パターンを動的に生成することを可能にし、次に、通信、ＬＡＤＡＲ、三次元ホログラフィ、生物及び環境感知、ならびに生物医科学等の新しい場に影響を与えることを可能にする。例えば、例示的なＮＰＡは、車、トラック、衛星、ロボット等における使用に好適な（低経費）ＬＩＤＡＲにおいて、使用され得る。ＣＭＯＳ集積プロセスを利用する能力は、低経費でかつコンパクトなＮＰＡの明るい未来もまた約束する。
【００１８】
エバネッセント結合バス及びナノアンテナを伴う光フェーズドアレイ
【００１９】
図１Ａ〜１Ｄは、ＣＭＯＳ集積プロセスを使用して形成される光フェーズドアレイ１００を例示する。図１Ａに示されるように、光フェーズドアレイ１００は、約λ０／２のピッチの６４ピクセル×６４ピクセルグリッドで配置される４，０９６個のユニットセル（ピクセル）１３０を含み、式中λ０は光フェーズドアレイ１００によって放出されるビーム（複数可）の波長である。光ファイバ１０２は、レーザーまたは他のコヒーレント光源（表示せず）からの光を、列バス導波路１１０に結合させ、これは、順に、光を６４行バス導波路１２０−１から１２０−６４（総称行バス導波路１２０）にエバネッセント結合させる。それぞれの行バス導波路１２０は、順に光を６４個のピクセル１３０へとエバネッセント結合させ、これは、光を放出して、所定の遠視野放出パターンを形成する。
【００２０】
この光フェーズドアレイ１００では、行バス導波路１２０への結合は、下記により詳細に記載されるように、それぞれの行バス導波路１２０が同じ量のパワーを得るような方法で、制御される。それぞれの行バス導波路１２０内の光パワーは、その後、光フェーズドアレイ１００内の４，０９６個の光ナノアンテナ全てが均等に励起されるように、その行バス導波路１２０に結合される、６４個のピクセル１３０の間で同様に分割される。それぞれのピクセル１３０が、光ファイバ１０２によって提供される光パワーの同等の部分を受信するため、ピクセル１３０によって放出されるビームの相対的位相における差異は、光フェーズドアレイの遠視野放出パターンを決定する。他の実施例では、それぞれのピクセル１３０へと及び／またはその外部に結合される光パワーは、特定の遠視野放射パターンを生成するように放出されたパワーにおいてピクセルごとの変化を生成するために、加重、減衰、または増大され得る。
【００２１】
本実施例では、ピクセルピッチは、ｘ及びｙ方向の両方において、光放出の自由空間波長λ０の半分未満である。ピクセルピッチがλ０／２未満であるため、光フェーズドアレイ１００は、高次放射ローブを用いずに、遠視野内に独特の干渉パターンを生成することができる。λ０／２よりも広いピクセルピッチについては、光フェーズドアレイ１００は、所望の遠視野放射パターンに加え、遠視野内に高次干渉パターンを生成し得る（望ましくない可能性がある）。換言すれば、光フェーズドアレイ１００は、遠視野内に所望のパターンの別名版を生成し得る。
【００２２】
ナノフォトニックフェーズドアレイにおけるパワー管理
【００２３】
フェーズドアレイ内では、ピクセルのそれぞれの放出の振幅が遠視野放射パターンに影響する。これらの振幅における望ましくない変形は、光フェーズドアレイの遠視野放射パターンを崩壊させ得るか、または別様で劣化させ得る。望ましくない振幅変化を防止することは、多くの場合、より大きいアレイにおいてより困難（かつより重要）になる。したがって、大きいアレイ（例えば何千ものピクセルを伴うアレイ）では、パワー供給ネットワークは、光パワーをそれぞれのアンテナ素子に、確実にかつ正確に送達するべきである。
【００２４】
図１Ｂは、光フェーズドアレイのパワー供給ネットワーク（列バス導波路１１０及び行バス導波路１２０）をより詳細に例示する。列バス導波路１１０及び行バス導波路１２０は、ＣＭＯＳ処理及びＣＭＯＳ電子工学の当業者に理解されるように、シリコン導波路（例えばシリコンオンインシュレーター導波路）で形成され得る。列バス導波路１１０は、光ファイバ１０２に突合せ結合され、これは、列バス導波路１１０によって支持され、単一横モードに光ビームを発射する。
【００２５】
光ビームは、一連の、列から行への方向性結合器１４０−１〜１４０−６４（集合的には方向性結合器１４０）を通って、列バス導波路１１０に沿って伝播し、これらのうちのそれぞれは、光ビームの対応する部分を、対応する行バス導波路１２０に結合させる。図１Ｂに示される、方向性結合器１４０−１〜１４０−６４は、列バス導波路１１０のそれぞれの列結合領域１１２−１〜１１２−６４（集合的には結合領域１１２）によって形成される、４ポート受動デバイスである。それぞれの方向性結合器１４０において、列結合領域１１２は、対応する行バス導波路１２０−１〜１２０−６４における、行結合領域１２２−１〜１２２−６４（集合的には結合領域１２２）に、平行にかつそれから離間して、走行する。
【００２６】
動作においては、所与の列結合領域１１２−ｍを通って伝播する光は、隣接する行結合領域１２２−ｍへとエバネッセント結合し、ここでｍは行番号を表す。当業者によって理解されるように、列結合領域１１２−ｍから行結合領域１２２−ｍに移される光パワーの割合は、結合領域の光路長Ｌｃ（ｍ）の関数として変化し、かつこの光路長は、行結合領域１２２−ｍから列結合領域１１２−ｍを分離する。それぞれの行と同等のパワーを提供するために、方向性結合器の長さＬｃ（ｍ）は、ｍｔｈ（１＜ｍ＜Ｍ）行バス導波路が１／（Ｍ＋２−ｍ）の結合効率を有するように、結合比を変更するように変化し、ここにおいてＭは最大行番号（この場合Ｍ＝６４）である。所望の結合比（及び結合器の長さ）は、三次元有限差分時間領域模擬または任意の他の好適な技術によって得ることができる。図１Ａに示される、６４ピクセル×６４ピクセルの光フェーズドアレイ１００については、バスから行への結合器長さＬｃ（ｍ）は、行バス導波路１２０の間でパワーを同等に分布するために、ｍ＝１の場合の約３．５３μｍ（約１．５４％の結合効率）〜ｍ＝６４の場合の約８．１２μｍ（約５０％の結合効率）で変化する。
【００２７】
他の実施例では、光フェーズドアレイをわたるパワー分布は、非均一であり得る。例えば、パワー分布は、光フェーズアレイによって放出されるビームにガウスまたはローレンツ形状を提供するために、ガウスまたは指標関数的に減衰するエンベロープを有し得る。同様に、方向性結合器の結合比は、結合器の長さを変化させることの代わりまたはそれに加えて、結合領域１１２と１２２との間の分離距離を変化させることによって変更できる。結合効率は、分離距離における変化よりも、結合器の長さにおける変化に敏感でない傾向があるが、しかしながら、ゆえに、変化する長さを伴う方向性結合器１４０は、変化する分離距離を伴う方向性結合器よりも、緩和な製作公差を有する傾向がある。
【００２８】
いくつかの光フェーズドアレイは、例えば、遠視野パターンを変更または走査するように、アレイをわたるパワー分布を変化させるための調整機構もまた含み得る。例えば、それぞれの方向性結合器は、列バス導波路に結合される入力ポートと、列バス導波路に結合される第１の出力ポートと、行バス導波路に結合される第２の出力ポートとを伴う、マッハツェンダー変調器またはリング共振器等の干渉計を含み得る。電場（例えば電極を介して）または磁場（例えば電磁石を介して）で干渉計を調整することは、その結合比を変更させ、列バス導波路から行バス導波路に結合される光パワーの調節を可能にする。
【００２９】
他の実施形態では、行バス導波路のうちの１つ以上が、その列バス導波路との光接続にてまたはその付近に、可変光減衰器を含み得る。可変光減衰器を作動させることは、対応する行バス導波路を通って伝播する光パワーを減少させる。あるいは、またはさらに、列バス導波路は、例えば連続性方向性結合器の間に分布される、１つ以上の可変光減衰器もまた含み得る。列バス導波路内で可変光減衰器を作動させることは、可変光減衰器から下流の行バス導波路（複数可）に結合させるために使用可能な光パワーを減少させる。
【００３０】
図１Ｃは、図１Ａ〜１Ｃの光フェーズドアレイ１００内のパワー供給ネットワークの性能を例示するプロットである。これは、図１Ａの光フェーズドアレイ１００における、列バス導波路１１０を行バス導波路１２０に接続する方向性結合器についての、及び、行バス導波路１２０をピクセル１３０に接続する、行からピクセルへの方向性結合器（図１Ｄに関して下記に記載）についての、結合器の長さ（左軸）及び結合効率（右軸）対行／列インデックスを示す。（行からピクセルへの方向性結合器は列から行への方向性結合器１４０とは異なる曲げ半径を有するため、行からピクセルへの方向性結合器の長さは、列から行への方向性結合器１４０のものとは異なる。）
【００３１】
ナノアンテナ設計及び位相管理
【００３２】
図１Ｄは、図１Ａの光フェーズドアレイ１００内のピクセル１３０をより詳細に示す。ピクセル１３０は、列バス導波路１１０及び行バス導波路１２０を形成するために使用されるものと同じＣＭＯＳプロセスを使用して形成される、ピクセル導波路１３２を含む。いくつかの場合では、これらの導波路の全ては、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）等の絶縁体クラッディングの層の上で、シリコンまたはシリコンニトリッジ等の同じ半導体材料から形成され得る。それらの屈折率インデックス及び断面寸法に依存して、これらの導波路は、可視波長または赤外波長の光を誘導し得る。１５５０ｎｍの波長の光を誘導するためには、例えば、導波路は高さ約２２０ｎｍ及び幅約４００ｎｍであり得る。
【００３３】
ピクセル導波路１３２は、行からピクセルへの方向性結合器１５０を介して、対応する行バス導波路１２０にエバネッセント結合される。図１Ｂに示される、列から行への方向性結合器１４０のように、行からピクセルへの方向性結合器１５０は、ピクセル導波路１３８内の結合領域１３４に平行にかつそれとは離間して走行する、行バス導波路１２０内の結合領域１２４によって形成される。そして、列から行への方向性結合器１４０のように、行からピクセルへの方向性結合器１５０は、行バス導波路１２０からの光パワーの所定の割合をピクセル導波路１３２に結合させるように選択される長さ（及び／または幅）を有する。この結合効率は、例えば、それぞれのピクセルがほぼ同じ量のエネルギーを放射することを保証するために、所定のエンベロープを、光フェーズドアレイ１００によって放出される近視野放射パターンに提供するために、等で、それぞれのピクセルで異なり得る。他の実施形態では、行からピクセルへの方向性結合器１５０は、ピクセル１３０に（及びその外部に）結合される光パワーの量を変化させるために使用され得る、活性デバイスを含み得る。
【００３４】
ピクセル導波路１３２は、Ｓ型静的光遅延線１３６を介して、光をアンテナ素子１３８（ナノアンテナ、ナノフォトニックアンテナ、または素子としても既知）に結合させる。静的光遅延線１３６は、その光路長がピクセル導波路１３２を通って伝播する波の位相を所定の量φｍｎでシフトさせるように選択される、ピクセル導波路１３２のセクションから形成される。この場合、静的光遅延線１３６は２つのセクションを含み、これらのそれぞれは位相シフトφｍｎ／２を誘発し、式中ｍ及びｎは、合計位相シフトφｍｎについての、ピクセルの行及び列インデックスである。他の実施形態では、ピクセルは光遅延線より多いまたはより少ないセグメントを含み得、そのそれぞれが適切に選択される位相シフト（例えばφｍｎ／４及び３φｍｎ／４、φｍｎ／３及び２φｍｎ／３、等）を誘発する。
【００３５】
図１Ｄに示されるように、曲線または曲がりくねった遅延線１３６を使用することは、ピクセルの大きさを減少させ、これにより精度の高いピクセルピッチを可能にする。さらに、この遅延線の設計は、アンテナ素子１３８の全てが周期的グリッド上に配置され得るように、アンテナ素子１３８の位置を位相遅延φｍｎから独立させる。変化する結合器の長さは、透過光及び外へ結合された光の位相にわずかに影響を与える。この効果は、それぞれのピクセル１３０について位相シフトφｍｎを計算する際に説明され得る。
【００３６】
図１Ｄに示されるアンテナ素子１３８は、列バス導波路１１０、行バス導波路１２０、及びピクセル導波路１３２と同じ平面において形成される絶縁体格子である。この格子は、導波路及び格子の平面の外の上下の光を回析する。この格子は比較的少ない数（例えば５）の罫線を有し、これらは何百ナノメートル（例えば１００ｎｍ、２００ｎｍ等）の半値全幅を伴う回析帯域幅を有し得る。いくつかの場合では、格子は下よりも上の光を回析する（またはその逆）ようにブレーズドであり得る。さらに、この格子周期は、放射を、望ましくない干渉を生成し得るピクセル導波路１３２に反射し返すことを回避するために、共鳴放出からわずかに離調され得る。この離調は、放出されたビームの光軸をその格子に垂直な表面から離してシフトし得る。
【００３７】
活性光フェーズドアレイ
【００３８】
図２Ａ及び２Ｂは、８×８活性調整可能光フェーズドアレイ２００及びユニットセル（ピクセル）２３０をそれぞれ例示する。図１Ａに示される受動フェーズドアレイ１００のように、図２Ａに示される活性フェーズドアレイ２００は、自由空間波長λ０を伴う光ビームを単一モードの列バス導波路２１０へと発射する光放射のソースを、この場合はレーザー（図示せず）に結合される光ファイバ２０２を含む。エバネッセント方向性結合器２４０−１〜２４０−８（集合的には方向性結合器２４０）は、図１Ｂに関して記載されたもののように、列バス導波路２１０からの光を８つの異なる行バス導波路２２０−１〜２２０−８（集合的には行バス導波路２２０）に結合させる。そして、上記のように、方向性結合器の結合効率は、それぞれの行バス導波路が列バス導波路２１０から所定の量（例えば同等の量）の光パワーを受信することを保証するために、変化し得る。
【００３９】
それぞれの行バス導波路２２０は、光ビームを、対応する方向性結合器２４０から８つのユニットセル（ピクセル）２３０に誘導し、これらのそれぞれは、約λ０（例えば約９μｍ×９μｍ）であり得る。図１Ｄに関して上記のように、方向性結合器２５０は行バス導波路２２０からの光を、対応するユニットセル２３０にエバネッセント結合し、それらのうちのそれぞれは、光を格子ベースのアンテナ素子２３８へと結合させる、シリコン導波路２３２を含む。このアンテナ素子２３８は、所望の振幅及び位相で光を放出して、活性光フェーズドアレイ２００の遠視野内にパターンを形成する。
【００４０】
この場合は、しかしながら、活性光フェーズドアレイ２００は、ピクセル２３０によって放出されるビームの位相を独立的に変化させるために使用され得るピクセルアドレッシングマトリックスを含む。このピクセルアドレッシングマトリックスは、列制御ワイヤ２６０−１〜２６０−８（集合的には列制御ワイヤ２６０）及び行制御ワイヤ２６２−１〜２６２−８（集合的には行制御ワイヤ２６２）から形成される。この実施例では、列制御ワイヤ２６０及び行制御ワイヤ２６２は、ピクセル２３０上の平行な平面内に配設され、他の実施例では、制御ワイヤは、代わりにピクセル２３０の下の平面内にルートを決められ得る。
【００４１】
図２Ａ及び２Ｂに示されるように、それぞれの列制御ワイヤ２６０は、ピクセル２３０の対応する列の上を走行し、かつ、その列内のピクセル２３０のそれぞれにおいて、銅シリコン電気接触２６４に電気結合される。同様に、それぞれの行制御２６２は、ピクセル２３０の対応する行の上を走行し、かつ、その行内のそれぞれのピクセル２３０において、銅シリコン電気接触２６８に電気結合される。それぞれのピクセル２３０における電気接触２６４及び２６８は、シリコン導波路２３２の一部をドープすることによって形成される、対応する一体型ヒーター２６６に電気結合される。それぞれのヒーター２６６は、接触２６４及び２６８の抵抗を含み、約２．５ｋΩの抵抗を有し得る。
【００４２】
特定の列制御ワイヤ２６０−ｍ及び特定の行制御ワイヤ２６２−ｎに電圧を印加することは、列制御ワイヤ２６０−ｍと行制御ワイヤ２６２−ｎとの交点のピクセル２３０−ｍｎ内の一体型ヒーター２６６をわたる電位における変化を引き起こす。この電位の変化はヒーター２６６が温度を変更する（より熱くなるまたはより冷たくなる）ことを引き起こし、熱光学効果による、シリコン導波路２３２のドープ部分の光路長における対応する変更をもたらす。そして光路長におけるこの変化は、導波路２３２を通ってアンテナ素子２３８へと伝播する光ビームにおける対応する位相シフトを誘発する。いくつかの場合では、ヒーター２６６は、７°の位相シフト当たり約８．５ｍＷの熱効率で動作し得る。
【００４３】
図３Ａ及び３Ｂは、ピクセルによって放出されるビームの位相を変化させるために、一体型ヒーターの代わりに（またはそれに加えて）液体系調整を使用する、活性光フェーズドアレイ３００を例示する。再び、レーザー（表示せず）に結合される光ファイバ３０２は、自由空間波長λ０を伴う光ビームを単一モード列バス導波路３１０へと発射する。エバネッセント方向性結合器３４０は、それぞれの行バス導波路３２０が、列バス導波路３１０から所定の量（例えば同等の量）の光パワーを受信することを保証するように選択される結合効率で、列バス導波路３１０からの光を行バス導波路３２０へと結合させる。それぞれの行バス導波路３２０は、対応する方向性結合器３４０からの光ビームをユニットセル（ピクセル）３３０の対応する組に誘導し、このユニットセルのうちのそれぞれは、約λ０（例えば約９μｍ×９μｍ）であり得る。方向性結合器３５０は、行バス導波路３２０からの光を対応するユニットセル３３０にエバネッセント結合し、このユニットセルのうちのそれぞれは、図３Ｂに示されるように光を格子ベースのアンテナ素子３３８に結合させるシリコン導波路３３２を含む。このアンテナ素子３３８は、光を所望の振幅及び位相で放出して、活性光フェーズドアレイ３００の遠視野内にパターンを形成する。
【００４４】
図２Ａに示される活性光フェーズドアレイ２００のように、図３Ａに示される活性光フェーズドアレイ３００は、ピクセル３３０の平面の上の平行な平面内に、列制御ワイヤ３６０及び行制御ワイヤ３６２を含む。これらの列制御ワイヤ３６０及び行制御ワイヤ３６２は、図２Ａ及び２Ｂに示される制御ワイヤに非常に似て、図３Ｂに示されるように個々のピクセル３３０内で電気接触３７４及び３７６に接続される。
【００４５】
図３Ａ及び３Ｂに例示される活性光フェーズドアレイ３００は、ユニットセル３３０の上に配設される流体貯水槽３７９のアレイもまた含む。この場合、それぞれのピクセル３３０のために１つの液体貯水槽３７９があり、他の場合では、単一の貯水槽が複数のピクセルを扱い得る。それぞれの流体貯水槽３７９は、対応する容積の、空気（例えばｎ＝１．５）よりも大きい屈折率を伴う電子活性材料または透明流体等の、流体３７８を保持する。本実施例では、流体は、フェーズドアレイの放出波長λ０で透明になる、電子活性液晶材料３７８を含む。
【００４６】
特定の列制御ワイヤ３６０−ｍ及び特定の行制御ワイヤ３６２−ｎに電圧を印加することで、列制御ワイヤ３６０−ｍと行制御ワイヤ３６２−ｎとの交点のピクセル３３０−ｍｎ内で液晶材料３７８及び液体貯水槽３７９−ｍｎをわたる電位降下を産生する。この液晶材料３７８は、それ自体を適用された電場の方向と整列させ、アンテナ素子３３８から液晶材料３７８を通って伝播する光によって経験される屈折率における変更を引き起こす。この液晶の屈折率における増加または減少は、放出されるビームの位相を遅延させるかまたは前進させる。
【００４７】
あるいは、またはさらに、液晶材料は、放出されるビームの偏光を回転もまた、させ得る。いくつかの場合では、放出されるビームは、その後固定された偏光子（例えば直線偏光膜（表示せず））を通過し得る。放出されたビームの偏光状態が、偏光子によって通過された偏光状態に整合しない場合は、偏光子は、当業者に理解されるように放出されたビームを減衰させる。したがって、放出されたビームは、放出されたビームの偏光状態を調整するために、液晶材料を作動させることによって、選択的に減衰させることができる。他の場合では、偏光子は省略され得、液晶材料は、例えば遠視野内に偏光多重パターンを生成するため、及び／または遠視野パターンの偏光を変更するために、放出されたビームの偏光を変調させ得る。
【００４８】
他の実施例では、フェーズドアレイは、微小流体チャネル及び／または微小流体ポンプ（表示せず）を介して流体貯水槽に結合される、１つ以上の補助貯水槽を含み得る。これらのポンプは、流体貯水槽の下でアンテナ素子によって放出されるビームによって経験される光路長における、対応する増加または減少を生成するように特定の流体貯水槽内の流体の量を増加または減少させるために使用され得る。換言すれば、流体充填貯水槽は、放出されたビーム（複数可）の位相（複数可）を調製するための、可変光遅延線として作用し得る。
【００４９】
当業者には容易に理解されるように、図２Ａ及び３Ａに示される列制御ワイヤ及び行制御ワイヤに、電圧の適切な組み合わせを印加することで、フェーズドアレイ内のピクセルによって放出されるビームの位相を調整する。フェーズドアレイの遠視野へ特定の画像または放射パターンを投影するために、この電圧はプロセッサ（表示せず）によって決定され得る。例えば、行電極を介して、光フェーズアレイのある面をわたって、電圧ランプを適用することは、電圧ランプの傾斜に依存して、ビームが上または下向きになることを引き起こす。
【００５０】
恣意的なパターン生成のための光フェーズドアレイ
【００５１】
小さいフットプリント内のナノフォトニックフェーズドアレイ内の多くのピクセルを集積する能力は、恣意的で洗練された遠視野放射パターンを生成するためにそのナノフォトニックフェーズドアレイを使用する可能性を切り開く。フェーズドアレイの遠視野放射場Ｅ（θ，φ）は、全てのピクセルからの光放出の位相に関連するシステム因子である、アレイ因子Ｆａ（θ，φ）をかけた、個々のナノアンテナの遠視野Ｓ（θ，φ）として計算される。
【数１】
2018049299.tif 000003
【００５２】
原則としては、恣意的な放射パターンは、全てのピクセルから放出される位相を制御することによって、大規模なナノフォトニックフェーズドアレイを伴う遠視野内に生成され得る。しかしながら、短い光波長（１．５５μｍ）及びシリコンの高い屈折率（ｎ≒３．４８）を考慮すると、わずかな製作欠陥が重大な位相誤差を引き起こし得る。結果として、確実に製作され、かつ適切に機能するために、ナノフォトニックフェーズドアレイは、位相誤差に抵抗性であるべきである。
【００５３】
幸運にも、本明細書に開示される大規模ナノフォトニックフェーズドアレイは、位相誤差に非常に寛容である（例えば図７Ａ〜７Ｄに関して下記に記載の通り）。この高い位相誤差寛容性は、ナノフォトニックフェーズドアレイのフーリエシステムとしての本質に由来し、ここにおいて、近視野放出の位相雑音は、ピクセルの全てからの光放出の干渉を通した遠視野において平均する。この高い位相誤差寛容性は、より多くのピクセルを伴ってより効果的となり、ナノフォトニックフェーズドアレイが、何百、何千、または何百万ものピクセルへと規模を大きくすることを可能にする。
【００５４】
図４Ａ〜４Ｄは、図１Ａ、２Ａ、及び３Ａに示されるもののような、光フェーズアレイの模擬を例示する。ナノフォトニックアレイのピクセルピッチは、製作において使用される際にｘ及びｙ方向の両方において９μｍとなるように選択され、自由空間波長は約１．５５μｍとなるように取られる。ピクセルピッチは自由空間半波長の倍数であるため、干渉状態は、所望の放射パターン（「ＭＩＴ」ロゴ）の複製として出現する、より高次のパターンを生成するために、遠視野において周期的に生じる。
【００５５】
図４Ａは、三次元有限差分時間領域法を使用して模擬された、１．５５μｍの波長で光パワーの５１％を上向きにかつ３０％を下向きに放出する格子アンテナ素子からの、近視野放出パターンを示す。格子周期が、垂直に放出し得る二次格子の周期からわずかに離調されるため、この放出は垂直（表面に垂直）ではない。この離調は、そうでなければフェーズドアレイ内で伝播する光に干渉し得る共鳴後方反射を、抑制する。ナノアンテナからの放出は、波長において数百ナノメートル（例えば１００ｎｍよりも長い）をわたって延在する全幅帯域幅を伴い、広帯域でもまたある。
【００５６】
図４Ｂ〜４Ｄは、図４Ａに示される光ナノアンテナの模擬された遠視野パターン（図４Ｂ）及び近視野から遠視野への変換を使用して計算された、図４Ａに示される光ナノアンテナのアレイを示す。これらの遠視野パターンは、極座標系における赤道面への、遠視野半球の投影として出現する。これらは、遠視野半球の頂点から見られ、ここにおいて、θ及びφは、それぞれ遠視野方位角及び極角である。それぞれの場合において、光ナノアンテナの方向性放出のために、投影されるパターンは主に頂点の付近にて可視的である。ナノフォトニックフェーズドアレイ内でそれぞれのピクセルの特定の光位相φｍｎ（式中ｍ及びｎはそれぞれピクセルの行及び列インデックスである）を変化させることまたは指定することは、所定の放射パターンＥ（θ，φ）を投影することを可能にする。それぞれのピクセルの位相φｍｎは、例えば図５に関して下記に記載のようにＧｅｒｃｈｂｅｒｇ−Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムを使用して、アンテナ合成によって決定され得る。
【００５７】
図４Ｃ及び４Ｄは、遠視野内にＭＩＴのロゴを生成するように設計された、６４×６４ナノフォトニックフェーズドアレイの放射パターンの模擬を示す。この放射パターンは、システムのアレイ因子の遠視野（背景に示される）と、ナノアンテナの遠視野（図４Ａ）との重ね合わせである。図４Ｃの中心の円は、図１０Ｅ及び１０Ｆ（下記に記載）にもまた示されるように、顕微鏡レンズ（例えば開口率０．４を伴う）内の可視領域を示す。図４Ｄは、ＭＩＴロゴを表示する遠視野の可視領域の拡大図を示す。右下の挿入図は、ＭＩＴロゴのパターンを示す。
【００５８】
大規模ナノフォトニックフェーズドアレイの合成
【００５９】
ナノフォトニックフェーズドアレイ合成は、フェーズドアレイ内のそれぞれのピクセルの光位相を指定することによって、特定の遠視野放射パターンを産生する。上記の等式（１）に示されるように、遠視野放射パターンは、個々のナノアンテナの遠視野Ｓ（θ，φ）とアレイ因子Ｆａ（θ，φ）のそれとの掛け算である。個々のナノアンテナの遠視野が固定されている一方で、アレイ因子Ｆａ（θ，φ）はアレイ内の全てのピクセルの放出位相に関連する。
【数２】
2018049299.tif 000004
式中、Ｍ×Ｎはアレイの大きさであり、（Ｘｍ，Ｙｎ）はそれぞれのナノアンテナの位置を記載する。ナノアンテナの放出振幅及び位相は、それぞれ｜Ｗｍｎ｜及びφｍｎによって記載され、よってＷｍｎ＝｜Ｗｍｎｅｘｐ（ｉφｍｎ）｜である。
【００６０】
フェーズドアレイ内では、ナノアンテナは、位相（φｍｎ）間相互作用が適切に効力を発するように、遠視野内に同一の干渉状態を作成するために、ここで使用されるものと均一な振幅（｜Ｗｍｎ｜＝１）等の、所望の振幅パターンを伴って放出し得る。パラメータｕ＝ｓｉｎ（θ）ｃｏｓ（φ）／λ０及びｖ＝ｓｉｎ（θ）ｓｉｎ（φ）／λ０は、遠視野座標（θ，φ）に関連し、λ０は自由空間における光波長である。等式（２）に示されるように、アレイ因子Ｆａ（θ，φ）はアレイの放出位相の単純な離散的フーリエ変換である。
【００６１】
図５は、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ−Ｓａｘｔｏｎアルゴリズムを使用して所与の放射パターンＦａ（θ，φ）を生成するための光位相νｍｎを発見するための、効率的な相互作用プロセス５００を例示するブロック図である。ｋ回目の相互作用で、所望の振幅｜Ｆａ（θ，φ）｜及び試験位相φｋ（θ，φ）を含むおよそのアレイ因子
【化１】
2018049299.tif 000005
が、それぞれのナノアンテナの対応するｗｋｍｎを得るために、逆にフーリエ変換される（ブロック５１０）。遠視野試験位相φｋ（θ，φ）は、最終遠視野放射画像に必ずしも影響を与えない（ブロック５２０）ため、恣意的に選択され得る。ブロック５３０において、ナノアンテナの放出の振幅をそのアレイをわたって均一に維持するために、位相を変更せずに、ｗｋｍｎのピクセル振幅は１に設定される。したがって、更新されたアレイ因子
【化２】
2018049299.tif 000006
は、フーリエ変換（ブロック５４０）によって得られ、その位相φ＊ｋ（θ，φ）は新しい試験位相φｋ＋１（θ，φ）として（ｋ＋１）回目の反復に渡される（ブロック５５０）。放射場の最初の試験位相は、最初の反復において、φ１（θ，φ）＝０または別の恣意的な値に設定される。数回の反復の後、位相ｅｘｐ（ｉφｍｎ）によって生成される最終アレイ因子
【化３】
2018049299.tif 000007
が、所望のパターン｜Ｆａ（θ，φ）｜に収束する。
【００６２】
図６Ａ〜６Ｄは、アンテナ合成を使用して生成される位相を伴って遠視野内にパターンを生成するために使用される、λ０／２のピクセルピッチを伴う６４×６４ナノフォトニックフェーズドアレイの模擬を示す。図６Ａは、遠視野内に投影される「ＭＩＴ」ロゴを示し、図６Ｃはアレイの面をわたる対応する位相分布を示す。同様に、図６Ｂは、遠視野内の異なる角度を伴う複数のビームを示し、図６Ｄに示される対応する位相分布を伴う。当業者によって理解されるように、複数のビームを異なる角度で投影することは、光自由空間通信において有用となり得る。
【００６３】
大規模ナノフォトニックフェーズドアレイの位相雑音分析
【００６４】
ナノフォトニックフェーズドアレイにおいて、遠視野生成は、それぞれのナノアンテナの精密な光位相φｍｎに依存する。しかしながら、無作為な製作欠陥により、それぞれのナノアンテナでの実際の位相は、その所望の値φｍｎとは異なり得る。この無作為な誤差は、そのアレイ因子パターンへの衝撃が分析される、位相雑音εｍｎとして表され得る。無作為な位相雑音は、
【化４】
2018049299.tif 000008
及び標準偏差σを伴う、ガウス確率分布を有すると想定し、これは製作によって導入される雑音にはよくあることである。位相雑音の存在下で実際に生じるアレイ因子パターンは、次の位相を伴って、再び等式（２）によって与えられる。
【数３】
2018049299.tif 000009
式中Ｆａａｃ（θ，φ）は雑音を伴う実際のアレイ因子パターンを表し、Ｆａｉｄ（θ，φ）は理想のアレイ因子パターンであり、
【化５】
2018049299.tif 000010
は畳み込み演算子である。ここで期待値（山かっこで示される）が使用され、平均値が確率的変数及び関数について取られるということを意味する。この位相雑音の離散的フーリエ変換は、
【数４】
2018049299.tif 000011
によって与えられ、等式（４）における期待値は定義により次のように計算され、
【数５】
2018049299.tif 000012
等式（５）を等式（４）に、そしてその後等式（３）に置換することで、
【数６】
2018049299.tif 000013
を産生する。等式（６）は、その振幅が、位相雑音により、ｅｘｐ（−σ２／２）の因子によって減少する一方で、遠視野アレイ因子パターンの形状が、保護されるということを示す。
【００６５】
図７Ａ〜７Ｄは、標準偏差σを伴う異なるレベルの位相雑音によって影響された光フェーズドアレイの遠視野放射パターンの模擬を示す。より具体的には、この模擬は、その位相φｍｎがＭＩＴのロゴを生成するように設定される、６４×６４ナノフォトニックフェーズドアレイの出力に加えられる、σ＝０（位相雑音なし、図７Ａ）、σ＝π／１６（図７Ｂ）、σ＝π／８（図７Ｃ）、及びσ＝π／４（図７Ｄ）のレベルのガウス位相雑音を示す。これらの図面は、所望のパターンの形状が、増加する位相雑音によって比較的に影響を受けずに残るということ、しかし信号対雑音比（ＳＮＲ）が降下するということを示す。背景の雑音における増加は、放出されたビームが、位相雑音の存在下で所望の干渉条件に完全に合うことができないことに由来する。模擬結果は、等式（６）の理論的分析と一致する。
【００６６】
図７Ａ〜７Ｄは、比較的大きい位相雑音（σ＝π／４）を伴ってでさえ、所望のパターンがなお識別可能であることを示す。これは、フェーズドアレイが、位相誤差に対して、製作上の正確性要件を緩和する、高い寛容性を示すということを示し、大規模ナノフォトニックフェーズドアレイが正確に生成され得、適切に機能し得るということを示唆する。さらに、この高い誤差寛容性は、アレイの規模に依存しない。実際に、統計的考慮は、上記の分析が、より多い数のナノアンテナを伴うアレイにより正確に適用するということを暗示する。結果として、６４×６４を超えて数百万ピクセルまでのナノフォトニックフェーズドアレイ。
実施例
【００６７】
以下の実施例は、特許請求の範囲を限定することなく本発明の主題の態様を強調することが意図される。
【００６８】
ナノフォトニックフェーズドアレイは、６５ｎｍの技術ノードを伴う３００ｍｍのＣＭＯＳ鋳造所で、０．２２μｍ上部シリコン層及び２μｍの埋め込み酸化層を伴うシリコンオンインシュレーターウェファを使用して、製作された。時限部分的シリコンエッチング（０．１１μｍ）がまず行われ、部分的にエッチングされた格子溝が作られた。その後、全シリコンエッチングは、導波路及び格子ナノアンテナを形成するために適用された。後続のｎ及びｎ＋ドープが活性アレイのために埋め込まれ、その後、標準ケイ素化が続き銅−シリコン接触を作った。この接触は、熱光学調整のために、２つの金属層によってチップ上プロービングパッドに接続された。表面起伏による追加の位相誤差を回避するように、表面を平面にするための最終の研磨工程を伴って、合計厚さ３．６μｍのＳｉＯ２が、このデバイスを覆うために使用された。
【００６９】
図８Ａ及び８Ｂは、ＣＭＯＳ鋳造所にて製作された６４×６４ナノフォトニックフェーズドアレイの一部の走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。図８Ａは、ナノフォトニックフェーズドアレイ内のいくつかのピクセルを示し、図８Ｂは図８Ａの長方形によって示されるピクセルの拡大図である。このピクセルの大きさは、光ナノアンテナとしてコンパクトなシリコン絶縁体格子を伴い、９μｍ×９μｍであり、ここにおいて、格子の第１の溝は、上向きの放出を増強するために部分的にエッチングされる。それぞれのピクセルの放出された位相は、ピクセル内の光遅延線の光路長を変化させることによって調節され得る。
【００７０】
図９Ａは、図８Ｂのピクセル内のシリコン絶縁体ナノアンテナの拡大図である。ナノアンテナは、ＣＭＯＳプロセスとの直接集積のために、それぞれのピクセル内の放出器として使用される。より明るい領域は、高さ２２０ｎｍのシリコンを表し、より暗い領域はシリコンの下の埋め込み酸化（ＢＯＸ）層を表し、中程度に影の付いた領域は、高さ１１０ｎｍの部分的にエッチングされたシリコンを表す。ナノアンテナは、３．０μｍ×２．８μｍの寸法であり、５つの格子エッチングを含む。第１の格子エッチングは、２２０ｎｍ厚さのシリコン層を通り途中までであり、上でかつフェーズドアレイの平面外により多くのパワーを放出するために、上下の非対称性を作る。格子周期は７２０ｎｍであり、これは二次格子の周期（λ０＝１．５５μｍのＳｉ−ＳｉＯ２格子の５８１ｎｍ）とはわずかに離調している。この離調は、そうでなければフェーズドアレイ内でビームの伝播に干渉し得る共鳴後方反射を抑制する。この離調は、アンテナが、光フェーズドアレイに垂直な表面に関して角度が付いた軸に沿って、光を放出することを引き起こしもまたする。
【００７１】
図９Ｂは、図９Ａに示されるアンテナの放出効率のプロットである。これは、１．５５μｍの波長で、上への放出５１％及び下への放出３５％を伴い、８６％の合計放出効率が達成されることを示す。図９Ｂは、λ０＝１．５５μｍで約５％のみの後方反射、及び、アンテナの短い格子長さのために、放出の３ｄＢ帯域幅が２００ｎｍを超えるということもまた示す。より効率的な上への放出は、部分的エッチング深さ（部分的エッチング深さは、同じマスク上の他のデバイスへの考慮から、この場合１１０ｎｍに固定した。）を最適化することによって、もしくは、下向きの放出を反射するために格子の下に反射接地平面を追加することによって、またはその両方によって、実現され得る。
【００７２】
図１０Ａは、１．５５μｍの波長で光を放出する図８Ａ、８Ｂ、及び９Ａに示される、ナノフォトニックフェーズドアレイ１０１０の近視野及び遠視野を観察するために使用される撮像システム１０００の図である。外側の光線によって示されるように、第１のレンズ１０２０（開口率０．４０）は単独で、赤外電荷結合素子（ＩＲＣＣＤ）１０４０を用いて、近視野（ＮＦ）画像を得るために使用された。内側の光線によって示されるように、遠視野（ＦＦ）画像またはフーリエ画像は、その後方焦点平面（フーリエ平面）内に遠視野画像を形成するために、第１のレンズ１０２０を下に（位置１０２０′まで）移動させること、及び遠視野画像をＩＲＣＣＤ１０４０上に投影するために第２のレンズ１０３０を挿入することによって取られた。
【００７３】
図１０Ｂ〜１０Ｆは、図１０Ａのシステム１０００を使用して得られたデータを表す。光フェーズドアレイの平面のものである、図１０Ｂの近視野画像は、６４×６４（４，０９６）個のナノアンテナの全てをわたって、均一な放出を示す。入力バス導波路は、左上の角に位置付けられ、過剰な散乱雑音を引き起こす。散乱雑音は、アレイ自体における非均一性を反射せず、ファイバ入力からのより大きい分離と容易にアドレスされ得る。図１０Ｃは、８×８ピクセルを含む近視野の一部の拡大図であり、これはアンテナ出力の振幅における非均一性の高い程度を示す。
【００７４】
図１０Ｄは、ピクセルからの光放出の測定された強度分布を表すヒストグラムである。統計は、放出強度の標準偏差（複数可）（σ）が平均強度（μ）の１３％であるということを示す。
【００７５】
図１０Ｅは、製作された６４×６４ナノフォトニックフェーズドアレイの、測定された遠視野放射パターンを示す。この画像は、所望の放射パターン（この場合はＭＩＴのロゴ）が遠視野内に出現することを明らかにする。遠視野画像は、図１０Ａのレンズ１０２０の有限開口率（０．４）によって固定される。これは、図４Ｃ及び４Ｄの円によって示されるように、模擬によってもまた予測され、これは、垂直（ナノフォトニックフェーズドアレイチップに垂直な表面）から小さい発散角内の放出が捕捉され得るということを示す。遠視野画像の背景における強度雑音は、ファイバから導波路への結合によって引き起こされる、光散乱に由来する。散乱光は、シリコンオンインシュレーターウェファの上部表面と下部表面との間の散乱光の干渉を通して、背景における同心フリンジにも起因している。この雑音は、撮像列によって捕捉される光散乱を減少させるために、ファイバ−導波路結合器をＮＰＡシステムからより遠くに配置することで減少させることができ、より鮮明な遠視野放射パターンが予測され得る。
【００７６】
図１０Ｆは、６４×６４ナノフォトニックフェーズドアレイと同じチップ上の３２×３２ナノフォトニックフェーズドアレイの遠視野放射パターンを示す。図１０Ｆは、３２×３２ナノフォトニックフェーズドアレイがファイバ結合点からより遠く離れているため、より少ない雑音を示すが、しかしながら、３２×３２ナノフォトニックフェーズドアレイは６４×６４ナノフォトニックフェーズドアレイよりも少ないピクセルを含むため、遠視野パターンの解像度はより低い。測定された画像は、パターンの形状（ＭＩＴのロゴ）及び全ての干渉次数の相対強度に関して、図４Ｃ及び４Ｄにおける模擬と一致し、ナノフォトニックフェーズドアレイ設計の剛性及び製作の正確性を強調する。
【００７７】
図１０Ｂを図１０Ｅと比較すると、ナノフォトニックフェーズドアレイの近視野画像がどこでも単純な均一放出を含む一方で、遠視野がＭＩＴのロゴを伴う画像を含むということを示す。これまでは、画像情報は、概してピクセルの強度を通して格納及び伝送されてきたが、対照的に、この大規模ナノフォトニックフェーズドアレイ技術は、撮像の別の次元を開く。今回画像情報は、ホログラムと非常に似ているが単一の点から生成されてピクセルの光位相内にコード化される。真に恣意的な放射パターンを生成することができる静的フェーズドアレイとして、この実証は、例えば、光学空間分割多重化における複雑なビーム生成及びモード整合において適用を有する。
【００７８】
図１１Ａ〜１１Ｅは、図２Ａ及び３Ａに示されるアレイのような、活性８×８ナノフォトニックフェーズドアレイについての、位相分布（最上行）、模擬遠視野放射パターン（中間行）、及び測定された遠視野放射パターン（最下行）を示す。位相及び強度の尺度は右に出現する。最上行では、それぞれの点は、異なるアンテナ素子／ピクセルを表す。中間及び最下行では、円はレンズ（開口率＝０．４）の端を示し、箱はある干渉次数の区域を特定する。（アンテナピッチは自由空間波長よりも大きいため、別名のより高い次数が遠視野内に出現する。）
【００７９】
図１１Ａでは、そこをわたる位相分布は、０で均一であり、よってそのアレイは照準（破線の箱の中心における）に均一なビームを投影する。０〜πの間で垂直に及び水平に段階状の方形波位相分布を適用することは、焦点ビームを、それぞれの干渉次数の端へ垂直方向（図１１Ｂ）及び水平方向（図１１Ｃ）にぞれぞれ６°誘導する。０〜π／２の間で垂直に段階状の方形波位相分布を適用することは、図１１Ｄに示すようにビームを２つのビームに垂直に分裂させる。０〜πの間で変化する水平に配向した三角波の周期を適用することは、図１１Ｅに示すように、単一のビームを水平方向で４つのビームに分裂させる。
【００８０】
図１１Ａ〜１１Ｅは、模擬と実験との間の良好な一致を示し、これは、ナノフォトニックフェーズドアレイの剛性ならびに製作及び活性熱光学位相調整の正確性を裏付ける。活性ＮＰＡ構造は、ピクセルの全てに電気的にアクセスするために完全ＣＭＯＳ制御回路の援助を伴うそれぞれのピクセルの独立電気制御を伴う、より大きいフェーズドアレイ（例えば上記のように６４×６４）に拡大され得、通信、三次元ホログラフィックディスプレイ、レーザー検出及び測距（ＬＡＤＡＲ）、生物医学的撮像、及び干渉を含むがこれらに限定されない適用を伴い、遠視野内に動的パターンを投影する。
【００８１】
メタ表面アンテナ等の他のホログラフィック方法とは異なり、本明細書に開示される光フェーズドアレイは、光放出の位相及び振幅、ならびにナノフォトニック放出器のチップ上の単一点励起をわたる別個の制御を可能にし、恣意的なホログラムが完全にチップ上で生成されることを可能にする。さらに、自由空間光を使用する代わりにシリコン内の光を誘導することによって、ＣＭＯＳプロセスにおいてピクセルを熱位相調整可能なピクセルに変換することによって、より高い柔軟性及びより広い適用を伴う動的な遠視野パターンを達成するために光位相の活性操作が直接実装され得る。例えば、それぞれのピクセル内のシリコン光路の一部が、光伝播の低い損失を維持しながら熱光学位相調整のための抵抗ヒーターを形成するために、ｎ型の埋め込みで軽くドープされ得る。ヒーターへの電気接続及びヒーターからの熱隔離を提供する、重いｎドープを伴う２つの細いシリコンリードは、光散乱によって引き起こされる損失を最小化するために、断熱ベンドの内側上のヒーターに接続され得る。
【００８２】
結論
【００８３】
本明細書に様々な発明実施形態が記載及び例示されてきた一方で、当業者は、機能を行うため、ならびに／または、結果及び／もしくは本明細書に記載される利点の１つ以上を得るための、様々な他の手段及び／または構造を容易に想定し得、かかる変化及び／または修正のそれぞれは、本明細書に記載される発明の実施形態の範囲内であるとみなされる。より一般的には、当業者は、本明細書に記載される全てのパラメータ、寸法、材料、及び構成は、例示的であることを意味し、実際のパラメータ、寸法、材料、及び／または構成は、本発明の教示が使用される具体的な適用または適用（複数）に依存し得るということを、容易に理解し得る。当業者は、単なる日常実験を使用して、本明細書に記載される特定の発明実施形態の多くの等価物を認識し得るまたは究明し得る。したがって、前述の実施形態は例示的目的のみで提供されており、添付の特許請求の範囲及びその等価物の範囲内で、発明実施形態は具体的に記載及び請求されるものとは別様で実践され得る、ということが理解されるはずである。本開示の発明実施形態は、本明細書に記載されるそれぞれの個々の特徴、システム、物品、材料、キット、及び／または方法を対象とする。さらに、かかる特徴、システム、物品、材料、キット、及び／または方法のうちの２つ以上の任意の組み合わせは、かかる特徴、システム、物品、材料、キット、及び／または方法が相互に矛盾しない場合、本開示の発明範囲内に含まれる。
【００８４】
上記の実施形態は、多数の方法のうちのいずれかで実装され得る。例えば、本明細書に開示される結合構造及び回析光学素子を設計する及び作成する実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組み合わせを使用して、実装され得る。ソフトウェア内で実装される場合、ソフトウェアコードは、単一のコンピュータ内に提供されるかまたは複数のコンピュータの間で分布されるかのいずれかで、任意の好適なプロセッサまたはプロセッサの収集物上で実行され得る。
【００８５】
さらに、コンピュータは、ラックマウント方式のコンピュータ、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、またはタブレットコンピュータ等の、多数の形態のうちのいずれかにおいて実装され得るということが理解されるべきである。さらに、コンピュータは、携帯情報端末（ＰＤＡ）、スマートフォン、または任意の他の好適な携帯用もしくは固定電子デバイスを含む、一般的にはコンピュータとみなされないが好適な処理能力を伴うデバイス内で実装され得る。
【００８６】
さらに、コンピュータは１つ以上の入力及び出力デバイスを有し得る。これらのデバイスは、とりわけ、ユーザインターフェースを提供するために使用され得る。ユーザインターフェースを提供するために使用され得る出力デバイスの例には、出力の視覚提供についてはプリンタまたはディスプレイスクリーン、及び出力の聴覚提供についてはスピーカーまたは他の音生成デバイスが挙げられる。ユーザインターフェースのために使用され得る入力デバイスの例には、キーボード、ならびに、マウス、タッチパッド、及びデジタルタブレット等のポインティングデバイスが挙げられる。別の例としては、コンピュータは音声認識を通してまたは他の聴覚形式で出力情報を受信し得る。
【００８７】
かかるコンピュータは、任意の好適な形式で、企業網等のローカルエリアネットワークまたはワイドエリアネットワーク、及びインテリジェントネットワーク（ＩＮ）またはインターネットを含む、１つ以上のネットワークに相互接続され得る。かかるネットワークは、任意の好適な技術に基づき得、任意の好適なプロトコルに従って動作し得、無線ネットワーク、有線ネットワーク、または光ファイバネットワークを含み得る。
【００８８】
本明細書で概要を説明した様々な（例えば上記に開示される結合構造及び回析光学素子を設計及び作成する）方法またはプロセスは、様々なオペレーティングシステムまたはプラットフォームのうちのいずれか１つを用いる、１つ以上のプロセッサ上で実施されるソフトウェアとしてコードされ得る。さらに、かかるソフトウェアは、多数の好適なプログラミング言語及び／またはプログラミングもしくはスクリプトツールのうちのいずれかを使用して書き込まれ得、実行可能機械言語コードまたはフレームワークもしくは仮想機械上で実行される中間コードとして翻訳もまたされ得る。
【００８９】
この点に関して、様々な発明概念は、１つ以上のコンピュータまたは他のプロセッサ上で実行されると、上記の様々な発明の実施形態を実装する方法を行う、１つ以上のプログラムでコードされる、コンピュータ可読記憶装置媒体（単数）（または複数のコンピュータ可読記憶装置媒体（複数））（例えば、コンピュータメモリ、１つ以上のフロッピー（登録商標）ディスク、コンパクトディスク、光ディスク、磁気テープ、フラッシュメモリ、フィールドプログラマブルゲートアレイもしくは他の半導体デバイスにおける回路構成、または他の非一過性媒体もしくは有形コンピュータ記憶装置媒体）として実施され得る。コンピュータ可読媒体（単数）または媒体（複数）は、そこに格納されるプログラム（単数）またはプログラム（複数）を、上記の本発明の様々な態様を実装するために、１つ以上の異なるコンピュータまたは他のプロセッサ上にロードすることができるように、輸送可能であり得る。
【００９０】
「プログラム」または「ソフトウェア」という用語は、本明細書で、総称的な意味で使用され、上記の実施形態の様々な態様を実装するようにコンピュータまたは他のプロセッサをプログラムするために用いられ得る、任意の種類のコンピュータコードまたはコンピュータ実行可能命令の組を指す。さらに、一態様に従い、実行されると本発明の方法を行う１つ以上のコンピュータプログラムは、単一のコンピュータまたはプロセッサ上に常駐する必要はなく、本発明の様々な態様を実装するために、多数の異なるコンピュータまたはプロセッサの間で、モジュール様式で分布され得るということが理解されるべきである。
【００９１】
コンピュータ実行可能命令は、１つ以上のコンピュータまたは他のデバイスによって実行される、プログラムモジュール等の多くの形式であり得る。一般的に、プログラムモジュールは、特定のタスクを行うまたは特定の抽象データ型を実装する、ルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造等を含む。典型的には、プログラムモジュールの機能性は、様々な実施形態において所望の通りに組み合わせまたは分布され得る。
【００９２】
さらに、データ構造は、任意の好適な形式でコンピュータ可読媒体に格納され得る。例示の簡略性のために、データ構造は、データ構造内の位置を通して関連するフィールドを有すると示され得る。かかる関係は、フィールドのための記憶装置に、フィールド間の関係を伝えるコンピュータ可読媒体内の位置を指定することによって同様に達成され得る。しかしながら、データ構造のフィールド内の情報間の関係を確立するために、ポインタ、タグ、またはデータ素子間の関係を確立する他の機構の使用を通して、を含む、任意の好適な機構が使用され得る。
【００９３】
さらに、様々な発明概念は、１つ以上の方法として実施され得、その実施例が提供された。その方法の一部として行われる作用は、任意の好適な方法で順序付けされ得る。結果的に、作用が例示されるものとは異なる順序で行われる実施形態が構造され得、例示的実施形態では連続的作用として示されるにも関わらず、いくつかの作用を同時に行うことを含み得る。
【００９４】
本明細書で定義及び使用される通りの全ての定義は、辞書定義、参照により組み込まれた書面における定義、及び／または定義された用語の通常の意味を制御するということが理解されるべきである。
【００９５】
不定冠詞「ａ」及び「ａｎ」は、明細書及び特許請求の範囲において本明細書で使用される場合、正反対のものが明確に示されない限り、「少なくとも１つ」を意味すると理解されるべきである。
【００９６】
「及び／または」という句は、明細書及び特許請求の範囲において本明細書で使用される場合、そのように接続される素子、すなわち、いくつかの場合では接続して存在し他の場合では離接して存在する素子の、「いずれかまたは両方」を意味すると理解されるべきである。「及び／または」を伴って記載される複数の素子は、同じ様式で、すなわちそのように接続される素子の「１つ以上」と、解釈されるべきである。「及び／または」の節によって具体的に特定される素子以外に、それらの具体的に特定される素子に関連するまたは関連しないに関わらず、任意で他の素子が存在し得る。したがって、非限定的な実施例として、「Ａ及び／またはＢ」への言及は、「〜を含む」等の無制限の言語と接続して使用される場合、一実施形態ではＡのみ（任意でＢ以外の素子を含む）を、別の実施形態ではＢのみ（任意でＡ以外の素子を含む）を、さらに別の実施形態ではＡ及びＢの両方（任意で他の素子を含む）等を指し得る。
【００９７】
明細書及び特許請求の範囲において本明細書で使用される場合、「または」は、上記に定義される「及び／または」と同じ意味を有すると理解されるべきである。例えば、表内の項目を分離するときに、「または」または「及び／または」は、包括的である、すなわち、多数の要素もしくは要素の表のうちの、少なくとも１つを含むだけでなく、２つ以上ならびに任意で追加の表に記載されない項目もまた含む、と解釈されるべきである。「〜のうちの１つのみ」または「〜のうちのちょうど１つ」、または特許請求の範囲において使用される場合の「〜から成る」等の、正反対のものを明確に示す用語だけは、多数の要素または要素の表のうちのちょうど１つの要素の包含を指し得る。概して、本明細書で使用される「または」という用語は、「いずれか」「のうちの１つ」「のうちの１つのみ」または「のうちのちょうど１つ」等の、排除の用語が後続する場合、排他的選択肢（すなわち「１つまたは別のものだが両方ではない」）を示すとのみ解釈されるはずである。「本質的に〜から成る」は、特許請求の範囲において使用される場合、特許法の分野において使用される通常の意味を有する。
【００９８】
明細書及び特許請求の範囲において本明細書で使用される場合、１つ以上の要素の表への言及における「少なくとも１つ」という用語は、要素の表内の任意の１つ以上の要素から選択される少なくとも１つの要素を意味すると理解されるべきであるが、必ずしもその要素の表内に具体的に記載されるそれぞれの全ての要素のうちの少なくとも１つを含まず、その要素の表内の要素の任意の組み合わせを排除しないことを意味すると理解されるべきである。この定義は、具体的に特定される要素に関連するかまたは関連しないかに関わらず、「少なくとも１つ」が指す要素の表内で具体的に特定される要素以外に、その要素が任意で存在し得ることを可能にする。したがって、非限定的な例としては、「Ａ及びＢのうちの少なくとも１つ」（または同等に、「ＡまたはＢのうちの少なくとも１つ」、または同等に、「Ａ及び／またはＢのうちの少なくとも１つ」）は、一実施形態では、少なくとも１つの、任意で２つ以上を含む、Ａで、Ｂの存在を伴わない（及び任意でＢ以外の要素を含む）ものを指し得、別の実施形態では、少なくとも１つの、任意で２つ以上を含む、Ｂで、Ａの存在を伴わない（及び任意でＡ以外の要素を含む）ものを指し得、さらに別の実施形態では、少なくとも１つの、任意で２つ以上を含むＡ、及び少なくとも１つの、任意で２つ以上を含むＢ（及び任意で他の要素を含む）等を指し得る。
【００９９】
特許請求の範囲において、ならびに上記の明細書において、「を備える」、「を含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「を担持する」、「を有する」、「を含有する」、「を含む（ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ）」、「を保持する」、「〜で構成される」等のような、全ての移行句は、無制限である、すなわち包括的であるが限定的でないということを意味すると理解されるべきである。米国特許庁特許審査便覧第２１１１．０３項で説明されるように、「〜から成る」及び「本質的に〜から成る」という移行句だけは、それぞれ制限または半制限の移行句であり得る。
【図１Ａ】
2018049299.tif 000014
【図１Ｂ】
2018049299.tif 000015
【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
2018049299.tif 000019
【図３Ａ】
2018049299.tif 000020
【図３Ｂ】
2018049299.tif 000021
【図４Ａ】
2018049299.tif 000022
【図４Ｂ】
2018049299.tif 000023
【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
2018049299.tif 000025
【図５】
2018049299.tif 000026
【図６】
2018049299.tif 000027
【図７】
2018049299.tif 000028
【図８Ａ】
2018049299.tif 000029
【図８Ｂ】
2018049299.tif 000030
【図９Ａ】
2018049299.tif 000031
【図９Ｂ】
2018049299.tif 000032
【図１０Ａ】
2018049299.tif 000033
【図１０Ｂ】
2018049299.tif 000034
【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
2018049299.tif 000036
【図１０Ｅ】
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【図１０Ｆ】
2018049299.tif 000038
【図１１】
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【外国語明細書】
2018049299000001.pdf