(57)【要約】      （修正有）【課題】屈折要素が、フォトニック集積回路に形成されて、外部媒体からフォトニック集積回路に、又はフォトニック集積回路から外部媒体にそれぞれ、光を往復して案内し得る。周期的構造体を屈折要素に形成して、外部媒体からフォトニック集積回路に、又はフォトニック集積回路から外部媒体に光を屈折させるか、又はフィルタリングすることもできる光学装置を提供する。【解決手段】光学装置であって、光学媒体と、光学媒体の上に形成される屈折要素と、を備え、屈折要素は、所定の曲率を有する表面と、表面に形成される周期的構造体の群と、を含み、屈折要素は、入射光の１つ又は複数の波長を屈折させるか、又はフィルタリングするように構成される、光学装置。【選択図】図１Ａ
2015172730.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学装置であって、
光学媒体と、
前記光学媒体の上に形成される屈折要素と、
を備え、前記屈折要素は、
所定の曲率を有する表面と、
前記表面に形成される周期的構造体の群と、
を含み、
前記屈折要素は、入射光の１つ又は複数の波長を屈折させるか、又はフィルタリングするように構成される、光学装置。
【請求項２】
前記屈折要素の上に形成される被覆要素を更に備え、
前記被覆要素の有効屈折率は、前記屈折要素の有効屈折率よりも低い、請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記被覆要素は、窒化物、酸化物、空気、又は有機材料の１つ又は複数の層を含む、請求項２に記載の光学装置。
【請求項４】
前記周期的構造体の群は９０度回転対称性を有する、請求項１に記載の光学装置。
【請求項５】
前記光学媒体は、前記入射光の少なくとも一部を吸収するか、又は光を発するように構成される能動要素を更に含む、請求項１に記載の光学装置。
【請求項６】
前記能動要素は、ケイ素、ゲルマニウム、錫、又はＩＩＩ−Ｖ族化合物の１つ又は複数の層を含む、請求項５に記載の光学装置。
【請求項７】
前記屈折要素に光学的に結合される第２の屈折要素を更に備え、
前記第２の屈折要素の有効屈折率は、前記屈折要素の有効屈折率と異なるか、又は等しい、請求項１に記載の光学装置。
【請求項８】
前記第２の屈折要素は、周期的構造体の第２の群を含む、請求項７に記載の光学装置。
【請求項９】
前記屈折要素に結合される変調要素を更に備え、
前記変調要素は、電場を前記屈折要素に印加して、キャリア濃度又は機械的構造を変更させることにより、前記屈折要素の有効屈折率を変更するように構成される、請求項１に記載の光学装置。
【請求項１０】
前記変調要素は、電場を印加して、前記屈折要素の有効屈折率を変更するように構成されるｐ−ｎ接合を含む、請求項９に記載の光学装置。
【請求項１１】
前記屈折要素に結合される変調要素を更に備え、
前記変調要素は、前記屈折要素から出る前記入射光の少なくとも一部の方向、前記屈折要素から出る前記入射光の焦点深度、又は前記屈折要素の前記周期的構造体の群によってフィルタリングされる１つ若しくは複数の波長の選択を変更するように構成される、請求項１に記載の光学装置。
【請求項１２】
前記変調要素は、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）を含み、
前記ＭＥＭＳは、電場を印加して、機械的な力を及ぼし、（ｉ）前記表面の前記所定の曲率、（ｉｉ）前記光学媒体に相対する前記屈折要素の位置、又は（ｉｉｉ）前記入射光の光軸に相対する前記屈折要素の向きを変更するように構成される、請求項１１に記載の光学装置。
【請求項１３】
前記屈折要素の前記所定の曲率は、加工関連歪みによって形成される、請求項１に記載の光学装置。
【請求項１４】
前記屈折要素の前記所定の曲率は、グレースケールマスクを使用することによって形成される、請求項１に記載の光学装置。
【請求項１５】
前記周期的構造体の群は、ジョイント位相シフトによって前記入射光をフォーカス又はデフォーカスするように構成される、請求項１に記載の光学装置。
【請求項１６】
前記周期的構造体の群は、導波モード共振によって前記入射光の１つ又は複数の波長をフィルタリングするように構成される、請求項１に記載の光学装置。
【請求項１７】
前記屈折要素は、窒化物、酸化物、又は空気が部分的に充填されたケイ素を含む、請求項１に記載の光学装置。
【請求項１８】
前記入射光の１つ又は複数の波長をフィルタリング、フォーカス、又はデフォーカスするために、（ｉ）前記周期的構造体の群の１つ若しくは複数の周期的構造体に、前記屈折要素の有効屈折率とは異なる屈折率を有する材料が充填され、（ｉｉ）前記周期的構造体の群の１つ若しくは複数の周期的構造体は、前記周期的構造体の群の１つ若しくは複数の他の周期的構造体の半径とは異なる半径を有するように形成され、又は（ｉｉｉ）前記周期的構造体の群の複数の周期的構造体は、局所的に非均一な周期で形成される、請求項１に記載の光学装置。
【請求項１９】
前記光学媒体の厚さは、前記屈折要素の焦点距離に対応する、請求項１に記載の光学装置。
【請求項２０】
前記屈折要素は、前記光学媒体に形成される層に接合される、請求項１に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は、レンズを使用する光の結合に関する。
【背景技術】
【０００２】
光は、フォトニック集積回路（photonic integrated system）に形成される屈折要素を使用してフォトニック集積回路と外部媒体との間を案内される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本明細書に記載される主題の革新的な一態様によれば、フォトニック集積システムの１つ又は複数の能動光学構成要素及び／又は受動光学構成要素によって光を生成し、案内し、処理し、又は検出し得る。屈折要素が、フォトニック集積回路に形成されて、外部媒体からフォトニック集積回路に、又はフォトニック集積回路から外部媒体にそれぞれ、光を往復して案内し得る。周期的構造体を屈折要素に形成して、外部媒体からフォトニック集積回路に、又はフォトニック集積回路から外部媒体に光を屈折させるか、又はフィルタリングすることもできる。
【０００４】
一般に、本明細書に記載される主題の革新的な一態様は、所定の曲率を有する表面を含む、外部媒体の上に形成される屈折要素と、上記表面に形成される周期的構造体の群とを含む光学装置で実施することができ、周期的構造体の群は、入射光の１つ又は複数の波長を屈折させるか、又はフィルタリングするように構成される。
【０００５】
この実施態様及び他の実施態様はそれぞれ、任意選択的に、以下の特徴のうちの１つ又は複数を含むことができる。光学装置は、屈折要素の上に形成される被覆要素を含み得、被覆要素の有効屈折率は、屈折要素の有効屈折率よりも低い。被覆要素は、窒化物、酸化物、空気、又は有機材料の１つ又は複数の層を含み得る。周期的構造体の群は９０度回転対称性を有し得る。
【０００６】
光学媒体は、入射光の少なくとも一部を吸収するか、又は光を発するように構成される能動要素を含み得る。能動要素は、ケイ素、ゲルマニウム、錫、又はＩＩＩ−Ｖ族化合物の１つ又は複数の層を含み得る。光学装置は、屈折要素に光学的に結合される第２の屈折要素を含み得、第２の屈折要素の有効屈折率は、屈折要素の有効屈折率と異なるか、又は等しい。第２の屈折要素は、周期的構造体の第２の群を含み得る。
【０００７】
光学装置は、屈折要素に結合される変調要素を含み得、変調要素は、電場を屈折要素に印加して、キャリア濃度又は機械的構造を変更させることにより、屈折要素の有効屈折率を変更するように構成される。変調要素は、電場を印加して、屈折要素の有効屈折率を変更するように構成されるｐ−ｎ接合を含み得る。
【０００８】
光学装置は、屈折要素に結合される変調要素を含み得、変調要素は、屈折要素から出る入射光の少なくとも一部の方向、屈折要素から出る入射光の焦点深度、又は屈折要素の周期的構造体の群によってフィルタリングされる１つ若しくは複数の波長の選択を変更するように構成される。変調要素は微小電子機械システム（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）を含み得、ＭＥＭＳは、電場を印加して、機械的な力を及ぼし、（ｉ）表面の所定の曲率、（ｉｉ）光学媒体に相対する屈折要素の位置、又は（ｉｉｉ）入射光の光軸に相対する屈折要素の向きを変更するように構成される。
【０００９】
屈折要素の所定の曲率は、工程関連歪みによって形成し得る。屈折要素の所定の曲率は、グレースケールマスクを使用することによって形成し得る。周期的構造体の群は、ジョイント位相シフトによって入射光をフォーカス又はデフォーカスするように構成し得る。周期的構造体の群は、導波モード共振によって入射光の１つ又は複数の波長をフィルタリングするように構成し得る。屈折要素は、窒化物、酸化物、又は空気が部分的に充填されたケイ素を含み得る。光学媒体の厚さは、屈折要素の焦点距離に対応する。屈折要素は、光学媒体に形成される層に接合し得る。
【００１０】
入射光の１つ又は複数の波長をフィルタリング、フォーカス、又はデフォーカスするために、（ｉ）周期的構造体の群の１つ若しくは複数の周期的構造体に、屈折要素の有効屈折率とは異なる屈折率を有する材料を充填し得、（ｉｉ）周期的構造体の群の１つ若しくは複数の周期的構造体は、周期的構造体の群の１つ若しくは複数の他の周期的構造体の半径とは異なる半径を有するように形成し得、又は（ｉｉｉ）周期的構造体の群の複数の周期的構造体は、局所的に非均一な周期で形成し得る。
【００１１】
有利な実施態様は、以下の特徴のうちの１つ又は複数を含み得る。一光学構成要素として、光を屈折させフィルタリングする屈折要素を形成することにより、光学システム内の他の光学構成要素との集積複雑性を低減し得る。一光学構成要素として、光を屈折させフィルタリングする屈折要素を形成することにより、製造コストを低減し得る。屈折要素は、ウェーハ上に平らに形成して、フォトニック集積回路に集積し得る。各屈折要素内の周期性構造体を変更することにより、異なるフィルタ範囲を有する複数の屈折要素を、１つの製造プロセスで形成することができる。屈折要素を能動要素に集積して、屈折要素の屈折範囲又はフィルタ範囲を調整し得る。
【００１２】
この態様及び他の態様の他の実施態様は、対応するシステム、装置、及びコンピュータ記憶装置に符号化される、方法の動作を実行するように構成されるコンピュータプログラムを含む。１つ又は複数のコンピュータのシステムは、動作に際してシステムに動作を実行させる、システムにインストールされるソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、又はこれらの組み合わせによってそのように構成することができる。１つ又は複数のコンピュータプログラムは、命令を有することによってそのように構成することができ、命令は、データ処理装置によって実行されると、装置に動作を実行させる。
【００１３】
１つ又は複数の実施態様の詳細を添付図面及び以下の説明に記載する。他の潜在的な特徴及び利点が、説明、図面、及び特許請求の範囲から明らかになるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】フォトニック集積回路の一例を示す。
【図１Ｂ】屈折要素の例を示す。
【図１Ｃ】屈折要素の例を示す。
【図１Ｄ】屈折要素の例を示す。
【図１Ｅ】カスケード接続屈折要素の一例を示す。
【図２Ａ】光をフィルタリングしフォーカスするフォトニック集積回路の例のブロック図を示す。
【図２Ｂ】光をフィルタリングしフォーカスするフォトニック集積回路の例のブロック図を示す。
【図３Ａ】フォトニック構造パターンの例を示す。
【図３Ｂ】フォトニック構造パターンの例を示す。
【図３Ｃ】フォトニック構造パターンの例を示す。
【図３Ｄ】フォトニック構造パターンの例を示す。
【図４】異なる波長の光をフィルタリングする複数の屈折要素を有するフォトニック集積回路の一例を示す。
【図５Ａ】応力誘導湾曲を有する屈折要素の例を示す。
【図５Ｂ】応力誘導湾曲を有する屈折要素の例を示す。
【図５Ｃ】応力誘導湾曲を有する屈折要素の例を示す。
【図５Ｄ】応力誘導湾曲を有する屈折要素の例を示す。
【図６Ａ】ドープ領域に集積された屈折要素の例を示す。
【図６Ｂ】ドープ領域に集積された屈折要素の例を示す。
【図６Ｃ】ドープ領域に集積された屈折要素の例を示す。
【図６Ｄ】ドープ領域に集積された屈折要素の例を示す。
【図７Ａ】圧電効果によって制御される屈折要素の例を示す。
【図７Ｂ】圧電効果によって制御される屈折要素の例を示す。
【図８Ａ】容量効果によって制御される屈折要素の例を示す。
【図８Ｂ】容量効果によって制御される屈折要素の例を示す。
【図９】屈折要素を製造する流れ図の一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
様々な図面での同様の参照番号及び名称は、同様の要素を示す。図に示される様々な例示的な実施形態が、単なる例示表現であり、必ずしも一定の縮尺で描かれているわけではないことも理解されたい。
【００１６】
図１Ａは、一例としてのフォトニック集積回路（photonic integrated circuit）１００のブロック図であり、回路１００は、光のフォトニック集積回路１００の内外への結合を可能にする屈折要素を含む。一般に、光学要素には１つ又は複数の光学仕様パラメータを関連付け得る。幾つかの実施態様では、光学仕様パラメータは、光学要素が特定の角度内の光錐（cone of light）を捕捉できるようにする開口数であり得る。例えば、単一モードファイバには開口数０．１４を関連付け得る。幾つかの実施態様では、光学仕様パラメータは、光学要素が光を送信又は受信できるようにする特定のサイズであり得る。例えば、光学検出器は、光を受信する検出器面積１００μｍ２を有し得る。光学仕様パラメータが一致しないある光学要素から別の光学要素に送られた光は通常、光強度を損失させる。損失を低減するために、レンズを使用して、２つの光学要素間の光学仕様パラメータの不一致を低減し得る。例えば、レンズを使用して、２つの光学要素間の開口数を一致させ得る。別の例として、レンズを使用して、より小さな面積を有する光学要素に光をフォーカスし得る。さらに、光学システムを伝搬している光に複数の波長が関連付け得、レンズを光学要素間に使用して、複数波長光から１つ又は複数のターゲット波長を選択し得る。レンズ又はフィルタを他の光学要素に集積させて、集積複雑性及び製造コストを低減することが望ましいことがある。レンズ及びフィルタを１つの屈折要素に集積させて、集積複雑性及び製造コストを低減することが望ましいこともある。
【００１７】
フォトニック集積回路１００は、屈折要素１０１と、光学媒体１０７とを含む。一般に、屈折要素１０１は、外部媒体１１９から光学媒体１０７への光又は光学媒体１０７から外部媒体１１９への光を屈折させ、且つ／又はフィルタリングするように形成される。一例として、２つの波長λ１及びλ２を有する入力光１１１が屈折要素１０１に入り、波長λ１は屈折要素１０１によってフィルタリングされ、波長λ２は、屈折要素１０１によって選択され、光学媒体１０７内の合焦光ビーム１１３としてフォーカスされる。この例が限定ではなく、１つ若しくは複数の他の波長を選択若しくはフィルタリングするように屈折要素１０１を構成してもよく、又は光ビームのデフォーカス若しくはコリメート（defocusing or collimating）等の他の光学機能を実行するように構成してもよいことに留意する。
【００１８】
一般に、屈折要素１０１は、表面１０３と、周期的構造体（periodic structure）１０５の群とを含み得る。表面１０３は、所定の曲率を有し、その表面湾曲は、スネルの法則又は任意の適する数値解析モデルに従って入射光ビームを屈折させるように構成し得る。数値解析モデルの例としては、レイトレーシングモデル、ガウスビームモデル、ビーム伝搬法（ＢＰＭ：ｂｅａｍ  ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  ｍｅｔｈｏｄ）モデル、フーリエビーム伝搬モデル、又は有限差分時間領域（ＦＤＴＤ：ｆｉｎｉｔｅ−ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ）モデルが挙げられる。
【００１９】
周期的構造体１０５は、一次元周期的構造体、二次元周期的構造体、三次元周期的構造第、又は入射光を屈折させるか、若しくはフィルタリングするように構成される周期的構造体の組み合わせを含み得る。図１Ａに示される例では、二次元周期的構造体１０５の群は、屈折要素１０１内に形成される。本明細書で使用される場合、周期的構造体は、フォトニック結晶、格子、又は周期的構造体に結合された光の光学特性に影響する他の周期的構造体を含み得る。周期的構造体１０５の更なる例について、図３Ａ〜図３Ｄにおいてより詳細に説明する。
【００２０】
幾つかの実施態様では、周期的構造体１０５の群は、導波モード共振効果（guided mode resonance effect）に従って光を屈折又はフィルタリングするように構成し得る。導波モード共振効果では、周期的構造体１０５の群は、屈折要素１０１、光学媒体１０７、及び外部媒体１１９の全体よりも高い屈折率を有する材料で形成されて、周期的構造体１０５の群内に少なくとも導波モードを生成する。導波モードは、周期的構造体１０５の群の回折モードに干渉して、フィルタとして使用することができる共振応答をもたらす。幾つかの実施態様では、湾曲表面１０３と共振応答との組み合わせは、光を様々な方向に屈折させ得る。幾つかの実施態様では、導波モード共振効果による周期的構造体１０５の周期性は、サブ波長の寸法であり得る。
【００２１】
幾つかの実施態様では、周期的構造体１０５の群は、有効屈折率変更効果に従って光を屈折又はフィルタリングするように構成し得る。有効屈折率変更効果では、周期的構造体１０５の群は、屈折要素１０１の軸に沿って可変有効屈折率プロファイルを生成するように構成される。例えば、周期的構造体１０５の群は、ｘ軸及びｙ軸に沿って穴の直径及び／又は周期性を変更して、可変有効屈折率プロファイルをもたらし得る。幾つかの実施態様では、湾曲表面１０３と可変有効屈折率プロファイルとの組み合わせは、光を様々な方向に屈折し得る。幾つかの実施態様では、湾曲表面１０３と可変有効屈折率プロファイルとの組み合わせは、屈折光のジョイント位相シフト効果（joint phase shift effect）を生じさせ、光学フォーカサー／デフォーカサー（optical focuser/defocuser）をもたらし得る。幾つかの実施態様では、有効屈折率変更効果による周期的構造体１０５の周期は、ディープサブ波長（deep sub-wavelength）の寸法であり得る。
【００２２】
幾つかの実施態様では、入力光１１１の偏光効果を低減するか、又はなくすために、周期的構造体１０５の群は、光軸のまわりで９０度の回転対称性を有するように配置し得る。この例では、光軸は、屈折要素１０１の中心においてｚ軸に沿う。
【００２３】
光学媒体１０７は、光の伝達、案内、検出、又は生成を行うことができる任意の媒体であり得る。例えば、光学媒体１０７は、ケイ素、酸化物、窒化物、又はそれらの組み合わせ等の半導体基板であり得る。別の例として、光学媒体１０７は空気であり得る。別の例として、光学媒体１０７は、光を吸収するゲルマニウム光検出器であり得る。別の例として、光学媒体１０７は、多層面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：ｖｅｒｔｉｃａｌ−ｃａｖｉｔｙ  ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｌａｓｅｒ）であり得る。
【００２４】
外部媒体１１９は、光の伝達、案内、検出、又は生成を行うことができる任意の媒体であり得る。例えば、外部媒体１１９は光ファイバであり得る。別の例として、外部媒体１１９は光検出器であり得る。別の例として、外部媒体１１９は光源であり得る。別の例として、外部媒体１１９は空気であり得る。別の例として、外部媒体１１９は、ケイ素、酸化物、窒化物、又はそれらの組み合わせ等の半導体基板であり得る。幾つかの実施態様では、窒化物、酸化物、空気、又は有機材料の１つ又は複数の層で構成される被覆層を外部媒体１１９と屈折要素１０１との間に形成し得る。
【００２５】
幾つかの実施態様では、屈折要素１０１及び光学媒体１０７は異なる材料で構成し得る。例えば、屈折要素１０１はケイ素で構成し得、光学媒体１０７は酸化物で構成し得る。幾つかの実施態様では、屈折要素１０１及び光学媒体１０７は同じ材料であり得る。例えば、屈折要素１０１及び光学媒体１０７は、ゲルマニウム又は他のＩＩＩ−Ｖ族化合物で構成し得る。幾つかの実施態様では、屈折要素１０１は材料の複数の層で構成し得る。図１Ｃ及び図１Ｄは、多層屈折要素の例を説明している。幾つかの実施態様では、光学媒体１０７は材料の複数の層で構成し得る。例えば、多層反射防止コーティングを堆積させて、屈折要素１０１と光学媒体１０７との間での反射を最小に抑え得る。幾つかの実施態様では、屈折要素は、フィルタ、フォーカサー／デフォーカサー、又はこれら両方として機能し得る。
【００２６】
図１Ｂは、フォトニック集積回路１００において屈折要素１０１として実施し得る例としての屈折要素１３１ａ〜１３１ｅを示す。屈折要素１３１ａ〜１３１ｅの任意の１つは、本願全体を通して説明される他のフォトニック集積回路の任意の１つ又は本願で説明されない別のフォトニック集積回路に実装することも可能である。
【００２７】
概念的に、屈折要素をレンズ部１２１及び周期的構造体部１２３に分離し得る。一般に、レンズ部１２１の表面に入射した光は、所定の曲率を有する表面によって屈折する。幾つかの実施態様では、表面湾曲は、誘導される意図的又は非意図的な加工歪みによって誘導し得、曲率は、屈折要素の寸法に相対してかなり大きい。幾つかの実施態様では、表面は、グレースケールマスク（grayscale mask）を使用してパターニングしエッチングして、表面湾曲を形成し得る。
【００２８】
一般に、周期的構造体部１２３は、一次元、二次元、三次元の周期的構造体の１つ又は複数の群を含み得る。例えば、図１Ｂに示される周期的構造体部１２３は、周期的構造体１２５の第１の群と、周期的構造体１２７の第２の群とを含む。周期的構造体１２５の第１の群は、有効屈折率変更効果を生み出すように設計し得る。周期的構造体１２７の第２の群は、導波モード共振効果を生み出すように設計し得る。幾つかの実施態様では、周期的構造体１２５の第１の群と周期的構造体１２７の第２の群とを重ねたものが、入射光の屈折及びフィルタリングの両方を行う周期的構造体部１２３を生成する。
【００２９】
レンズ部１２１及び周期的構造体部１２３を結合して、屈折要素を形成し得る。例えば、屈折要素１３１ａは、周期的構造体部をレンズ部の底部にエッチングして、周期的構造体部とレンズ部との間により高い屈折率コントラストを提供することによって形成し得る。別の例として、レンズ部が凸面を有する場合、屈折要素１３１ｂは、周期的構造体のピークがレンズ部の湾曲を辿るように、周期的構造体をエッチングすることによって形成し得る。屈折要素１３１ｂは、レンズ部を形成した後、周期的構造体をエッチングすることによって形成し得る。別の例として、レンズ部が凹面を有する場合、屈折要素１３１ｃは、周期的構造体のピークがレンズ部の湾曲を辿るように、周期的構造体をエッチングすることによって形成し得る。屈折要素１３１ｃは、レンズ部を形成した後、逆パターンの周期的構造体をエッチングすることによって形成し得る。
【００３０】
別の例として、レンズ部が凹面を有する場合、屈折要素１３１ｄは、周期的構造体の谷がレンズ部の湾曲を辿るように、周期的構造体をエッチングすることによって形成し得る。屈折要素１３１ｄは、レンズ部を形成する前、周期的構造体をエッチングすることによって形成し得る。別の例として、レンズ部が凹面を有する場合、屈折要素１３１ｅは、周期的構造体のピークがレンズ部の湾曲を辿るように、周期的構造体をエッチングすることによって形成し得る。屈折要素１３１ｅは、レンズ部を形成した後、周期的構造体をエッチングすることによって形成し得る。
【００３１】
幾つかの実施態様では、入射光の１つ又は複数の波長をフィルタリング、フォーカス、又はデフォーカスするために、周期的構造体の群の１つ又は複数の周期的構造体に、屈折要素の有効屈折率とは異なる屈折率を有する材料を充填し得る。例えば、屈折要素はケイ素で構成し得、周期的構造体の群には少なくとも部分的に酸化物又は窒化物で充填される。幾つかの実施態様では、入射光の１つ又は複数の波長をフィルタリング、フォーカス、又はデフォーカスするために、周期的構造体の群の１つ又は複数の周期的構造体に、周期的構造体の群の１つ又は複数の他の周期的構造体の半径とは異なる半径を有するように形成し得る。例えば、周期的構造体１２５は、周期的構造体１２７の半径とは異なる半径を有する。幾つかの実施態様では、入射光の１つ又は複数の波長をフィルタリング、フォーカス、又はデフォーカスするために、周期的構造体の群の複数の周期的構造体は、局所的に非均一な周期で形成し得る。
【００３２】
図１Ｃは、フォトニック集積回路１００において実施し得る一例としての多層屈折要素１４０を示す。ここに示されていないが、多層屈折要素１４０が湾曲表面を含み得ることに留意する。多層屈折要素１４０は、３つの層１４１、１４３、及び１４５を含む。幾つかの実施態様では、層１４１、１４３、及び１４５は、誘電体（例えば、酸化物、窒化物、ポリマー、若しくは空気）、半導体（例えば、ケイ素、ゲルマニウム、若しくはＩＩＩ−Ｖ族材料）、又は金属（例えば、アルミニウム、タングステン、若しくは他の金属）等の異なる材料の組み合わせで構成し得る。例えば、３つの層１４１、１４３、及び１４５のうちの１つ又は複数は、ゲルマニウム等の吸収材料で構成し得る。別の例として、３つの層１４１、１４３、及び１４５のうちの２つ以上は、ＩＩＩ−Ｖ族材料等の利得材料で構成し得る。周期的構造体は最上層１４５に形成し得、２つの他の層１４１及び１４３は、最上層１４５上に表面歪みを提供して、多層屈折要素１４０の表面湾曲を形成するように形成し得る。幾つかの他の実施態様では、多層屈折要素１４０はより少数又はより多数の層を含み得る。幾つかの他の実施態様では、周期的構造体は、２つ以上の層に形成し得る。
【００３３】
図１Ｄは、フォトニック集積回路１００において実施し得る一例としての多層屈折要素１５０を示す。ここに示されていないが、多層屈折要素１５０が湾曲表面を含み得ることに留意する。多層屈折要素１５０は、３つの層１５１、１５３、及び１５５を含む。層１５１、１５３、及び１５５は、誘電体（例えば、酸化物、窒化物、ポリマー、若しくは空気）、半導体（例えば、ケイ素、ゲルマニウム、若しくはＩＩＩ−Ｖ族材料）、又は金属（例えば、アルミニウム、タングステン、若しくは他の金属）等の異なる材料の組み合わせで構成し得る。例えば、３つの層１５１、１５３、及び１５５のうちの１つ又は複数は、ゲルマニウム等の吸収材料で構成し得る。別の例として、３つの層１５１、１５３、及び１５５のうちの２つ以上は、ＩＩＩ−Ｖ族材料等の利得材料で構成し得る。幾つかの実施態様では、周期的構造体は、２つの他の層１５１と１５５との間の層１５３に形成し得る。例えば、層１５３は、層１５１及び１５５よりも高い屈折率を有する材料であり、多層屈折要素１５０において導波モード共振効果をもたらし得る。幾つかの他の実施態様では、多層屈折要素１５０はより少数又はより多数の層を含み得る。幾つかの他の実施態様では、周期的構造体は、２つ以上の層に形成し得る。
【００３４】
図１Ｅは、一例としてのカスケード接続屈折要素１６０を示す。一般に、カスケード接続屈折要素１６０は、更なる設計柔軟性を可能にする。例えば、カスケード接続屈折要素１６０は、第１の屈折要素１６１と、第１の屈折要素１６１に光学的に結合された第２の屈折要素１６３とを含み得る。第１の屈折要素１６１は、１５５０ｎｍ〜１５５５ｎｍの波長範囲をフィルタリングするように設計し得、第２の屈折要素１６３は、１５５４ｎｍ〜１５５９ｎｍの波長範囲をフィルタリングするように設計し得る。第１の屈折要素１６１を第２の屈折要素１６３にカスケード接続することにより、波長範囲１５５４ｎｍ〜１５５５ｎｍのより狭いフィルタを得ることができる。第１の屈折要素１６１及び第２の屈折要素１６３はそれぞれ、本願において説明される任意の屈折要素を使用して実施し得る。幾つかの実施態様では、第１の屈折要素１６１は、有効屈折率変更効果の下で動作して、光ビームプロファイルを変更することができ、第２の屈折要素１６３は、導波モード共振効果の下で動作して、所望の波長を選択することができる。幾つかの実施態様では、第２の屈折要素１６３の有効屈折率は、第１の屈折要素１６１の有効屈折率と異なる。幾つかの他の実施態様では、第２の屈折要素１６３の有効屈折率は、第１の屈折要素１６１の有効屈折率に等しい。幾つかの実施態様では、第２の屈折要素１６３は、第１の屈折要素１６１の周期的構造体の第１の群とは異なる周期的構造体の第２の群を含む。幾つかの他の実施態様では、第２の屈折要素１６３は、第１の屈折要素１６１の周期的構造体の第１の群と等しい寸法の周期的構造体の第２の群を含む。幾つかの実施態様では、一方の屈折要素はフィルタであり得、他方の屈折要素はフォーカサー又はデフォーカサーであり得る。
【００３５】
図２Ａは、屈折要素を能動要素に集積する一例としてのフォトニック集積回路２００のブロック図を示す。この例では、２つの波長λ１及びλ２を有する入力光２０８は、フォトニック集積回路２００に入射し、一方の波長λ１は光２０９として伝達され、他方の波長λ２はフィルタリングされる。光２０９は、光検出器にフォーカスされ、波長λ１の光強度が測定される。
【００３６】
フォトニック集積回路２００は、屈折要素２０１と、光学媒体２０３と、被覆要素２０４と、基板２０５と、能動要素２０７とを含む。屈折要素２０１は、本願で説明される任意の屈折要素を使用して実施し得る。例えば、屈折要素２０１は、図１Ａで説明される屈折要素１０１を使用して実施し得る。ここで、屈折要素２０１は、入力光２０８を能動要素２０７にフォーカスするように構成される。加えて、屈折要素２０１は、λ２を含む１つ又は複数の波長を拒絶するように構成される。
【００３７】
光学媒体２０３は、光２０９を透過するか、又は部分的に透過する材料で構成し得る。幾つかの実施態様では、光学媒体２０３の厚さは、屈折要素１０１の焦点距離であり得る。幾つかの実施態様では、光学媒体２０３の厚さは、能動要素２０７上に特定のスポットサイズをもたらす長さであり得る。
【００３８】
被覆要素２０４は屈折要素２０１の上に形成されて、入力光２０８の反射を低減し、且つ／又は屈折要素２０１への保護を提供する。幾つかの実施態様では、被覆要素２０４の有効屈折率は、屈折要素２０１の有効屈折率よりも低い。幾つかの実施態様では、被覆要素２０４は、窒化物、酸化物、空気、又は有機材料の１つ又は複数の層で構成し得る。
【００３９】
基板２０５は、フォトニック集積回路の製造に適する任意のタイプの基板であり得る。例えば、基板２０５は、シリコンウェーハ、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェーハ、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）若しくはリン化インジウム（ＩｎＰ）ウェーハ等のＩＩＩ−Ｖ族材料、可撓性有機基板、結晶ウェーハ、又はガラスウェーハであり得る。別の例として、基板２０５は、集積電子回路に堆積した受動材料又は能動材料の層であり得る。
【００４０】
能動要素２０７は、光の伝達、変調、切り替え、又は吸収を行う光学構成要素であり得る。この例では、能動要素２０７は、光２０９の少なくとも一部を吸収して、波長λ１の光強度を測定するように構成される光検出器である。幾つかの実施態様では、能動要素２０７は、ケイ素、ゲルマニウム、錫、又はＩＩＩ−Ｖ構成要素の１つ又は複数の層で構成し得る。
【００４１】
図２Ｂは、光を案内する一例としてのフォトニック集積回路２１０のブロック図を示す。この例では、２つの波長λ１及びλ２を有する入力光２１８は、フォトニック集積回路２１０に入射し、一方の波長λ１は光２１９として伝達され、他方の波長λ２はフィルタリングされる。光２１９は、光学媒体にフォーカスされ、光２２１としてフォトニック集積回路２１０から伝達される。光２２１を別の光学デバイス又は別の光学システムに案内して、更に処理し得る。
【００４２】
フォトニック集積回路２１０は、屈折要素２１１と、光学媒体２１３と、被覆要素２１４と、外部媒体要素２１５とを含む。屈折要素２１１は、本願で説明される任意の屈折要素を使用して実施し得る。例えば、屈折要素２１１は、図１Ｄで説明される屈折要素１５０を使用して実施し得る。ここで、屈折要素２１１は、入力光２１８をフォーカスするように構成される。加えて、屈折要素２１１は、λ２を含む１つ又は複数の波長を拒絶するように構成することもできる。
【００４３】
光学媒体２１３は、本願で説明される任意に光学媒体を使用して実施し得る。例えば、光学媒体２１３は、図２Ａで説明される光学媒体２０３を使用して実施し得る。被覆要素２１４は、本願で説明される任意の被覆要素を使用して実施し得る。例えば、被覆要素２１４は、図２Ａで説明される被覆要素２０４を使用して実施し得る。外部媒体２１５は、本願で説明される任意の外部媒体を使用して実施し得る。例えば、外部媒体２１５は、図１Ａで説明される外部媒体１１９を使用して実施し得る。幾つかの実施態様では、被覆要素２１４の有効屈折率は、屈折要素２１１の有効屈折率よりも高い。
【００４４】
図３Ａは、ｘ−ｙ次元に沿った平面上の周期的構造体３３１の群の図の一例を示す。図３Ａの説明は、本願で説明される任意の１つの屈折要素に適用し得る。周期的構造体３３１の群は、ｘ方向に沿って一次元周期的構造体３０１ａ〜ｎ及び３０３ａ〜ｎのアレイを含み、ここで、ｎは１よりも大きな任意の整数である。周期的構造体の群の一例は、一次元格子又は一次元フォトニック結晶であり得る。幾つかの実施態様では、周期的構造体３０１ａ〜ｎ及び３０３ａ〜ｎの群は、異なる材料で構成し得る。例えば、周期的構造体３０１ａ〜ｎはケイ素で構成し得、周期的構造体３０３ａ〜ｎは酸化物で構成し得る。別の例として、周期的構造体３０３ａ〜ｎは、表面プラズモン効果（surface plasmonic effect）を形成するＩＴＯ等の半透明金属の層を含み得る。３０１ａ、３０３ａ、３０１ｂ、３０３ｂ、・・・、３０１ｎ、及び３０３ｎの構成は、屈折要素の周期的構造体の群を形成する。
【００４５】
図３Ｂは、ｘ−ｙ次元に沿った平面上の周期的構造体３３２の群の図の一例を示す。図３Ｂの説明は、本願で説明される任意の１つの屈折要素に適用し得る。周期的構造体３３２の群は、二次元周期的構造体３０５ａ及び層３０５ｂを含む。幾つかの実施態様では、周期的構造体３０５ａは、格子の格子ピークであり得る。幾つかの他の実施態様では、周期的構造体３０５ａは、格子の格子谷であり得る。３０５ａの構成は、屈折要素の周期的構造体の群を形成する。幾つかの実施態様では、層３０５ｂは酸化物であることができ、周期的構造体３０５ａはケイ素であり得る。
【００４６】
図３Ｃは、ｘ−ｙ次元に沿った平面上の周期的構造体３３３の群の図の一例を示す。図３Ｃの説明は、本願で説明される任意の１つの屈折要素に適用し得る。周期的構造体３３３の群は、ｘ方向に沿った二次元矩形周期的構造体３０７ａ〜３０７ｎのアレイと、ｙ方向に沿った３０７ａ〜３０７ｋのアレイとを含む。幾つかの実施態様では、周期的構造体３０７ａは、格子又はフォトニック結晶のピークであり得る。幾つかの他の実施態様では、周期的構造体３０７ａは、格子又はフォトニック結晶の谷であり得る。幾つかの実施態様では、周期的構造体３０７ａは、ケイ素等の層３０８と同じ材料で構成し得る。幾つかの実施態様では、周期的構造体３０７ａは、層３０８とは異なる材料で構成し得る。例えば、周期的構造体３０７ａはケイ素で構成し得、層３０８は酸化物又は窒化物で構成し得る。幾つかの実施態様では、周期的構造体３０７ａは、正方形、円形、非正方形、又は異なる構造体の組み合わせであり得る。ｘ−ｙ平面上の周期的構造体３０７ａ〜ｎ及び３０７ａ〜ｋの構成は、屈折要素内に周期的構造体を形成する。幾つかの実施態様では、ｘ方向３２１に沿った周期的構造体の周期及びｙ方向３２２に沿った周期的構造体は実質的に、導波モード共振効果の下でｘ方向及びｙ方向に沿った層３０８内の干渉パターンに一致する。
【００４７】
図３Ｄは、ｘ−ｙ次元に沿った平面上の周期的構造体３３４の群の図の一例を示す。図３Ｄの説明は、本願で説明される任意の１つの屈折要素に適用し得る。周期的構造体３３４の群は、二次元の任意形状の周期的構造体３０９ａ〜３０９ｎのアレイを含み、ここで、ｎは１よりも大きな整数である。幾つかの実施態様では、任意形状の周期的構造体３０９ａは、格子又はフォトニック結晶のピークであり得る。幾つかの他の実施態様では、任意形状の周期的構造体３０９ａは、格子又はフォトニック結晶の谷であり得る。幾つかの実施態様では、任意形状の周期的構造体３０９ａは、層３１０とは異なる材料で構成し得る。例えば、任意形状の周期的構造体３０９ａは、二酸化ケイ素で構成し得、層３１０はケイ素で構成し得る。幾つかの実施態様では、任意形状の周期的構造体３０９ａは三角形、円形、楕円形、又は異なる形状の組み合わせであり得る。ｘ−ｙ平面上の任意形状の周期的構造体３０９ａ〜ｎの構成は、屈折要素の周期的構造体の群を形成する。幾つかの実施態様では、任意形状の周期的構造体３０９ａ〜３０９ｎの任意の１つの形状、相対距離は、数値解析を使用して決定し得る。例えば、有限差分時間領域（ＦＤＴＤ：Ｆｉｎｉｔｅ−ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ）解析プログラムを使用して、任意形状の周期的構造体３０９ａ〜３０９ｎのそれぞれの形状を設計し得る。
【００４８】
図４は、異なる波長の光をフィルタリングする複数の屈折要素を有する一例としてのフォトニック集積回路４００を示す。手短に言えば、複数の屈折要素を単一の基板の上に形成し得、各屈折要素は、各波長範囲をフィルタリングするように構成し得、これは、波長分割多重化（ＷＤＭ）又は画像／スペクトル検知用途で複数の波長の光学強度を別個に監視するのに有用である。追加又は代替として、各屈折要素は、所望のように各波長範囲を屈折させるように形成し得る。
【００４９】
この例では、フォトニック集積回路４００は、第１の屈折要素４０１、第２の屈折要素４０３、第３の屈折要素４０５、及び第４の屈折要素４０７を含み、リソグラフィ及びエッチング等の半導体製造方法を使用することによって製造することができる。第１の屈折要素４０１は、λ１を含むが、λ２、λ３、又はλ４を含まない波長範囲を屈折させ透過させるように構成される。第２の屈折要素４０３は、λ２を含むが、λ１、λ３、又はλ４を含まない波長範囲を屈折させ透過させるように構成される。第３の屈折要素４０５は、λ３を含むが、λ１、λ２、又はλ４を含まない波長範囲を屈折させ透過させるように構成される。第４の屈折要素４０７は、λ４を含むが、λ１、λ２、又はλ３を含まない波長範囲を屈折させ透過させるように構成される。波長λ１、λ２、λ３、及びλ４を含む広域スペクトル光４１１は、フォトニック集積回路４００に入射し、第１の屈折要素４０１、第２の屈折要素４０３、第３の屈折要素４０５、及び第４の屈折要素４０７はそれぞれ、更なる処理のために各波長をフィルタリングする。異なる実施態様では、異なる数の屈折要素をフォトニック集積回路に形成し得、各屈折要素は、この例で説明される波長範囲を屈折させ、且つ／又はフィルタリングするように構成されなくてもよいことに留意する。幾つかの実施態様では、入射光４１１は広域スペクトル信号であり、λ１は赤色光スペクトルを網羅し、λ２は緑色光スペクトルを網羅し、λ３は青色光スペクトルを網羅し、λ４は赤外線スペクトルを網羅する。幾つかの実施態様では、フォトニック集積回路４００は集積スペクトルフィルタとして見ることができ、ＣＭＯＳイメージセンサとモノリシック（monolithically）に集積されて、集積複雑性及び製造コストを低減する。異なるフォトニック結晶構造体を有する複数の屈折要素を設計し、各ターゲットスペクトル範囲に向けて微調整することができ、次に、同じリソグラフィステップを使用して製造することができる。これにより、より細かいスペクトルフィルタリング及びより多くのフィルタをセンサに集積することができ、これは、より現実的な画像を捕捉するより細かいスペクトル解像度を意味する。
【００５０】
図５Ａは、格子からの圧縮応力誘導湾曲又は熱膨張不一致を有する一例としての屈折要素５００を示す。屈折要素５００は、屈折要素５０１と、光学媒体５０３とを含む。一般に、光学媒体５０３が屈折要素５０１よりも小さい格子サイズを有する場合、圧縮応力を屈折要素５０１の表面に誘導し得、凸湾曲表面を形成し得る。例えば、光学媒体５０３は酸化物で構成し得、屈折要素５０１はケイ素で構成し得る。幾つかの実施態様では、凸湾曲表面を使用して、入射光を部分的にフォーカスし得る。
【００５１】
図５Ｂは、格子からの引っ張り応力誘導湾曲又は熱膨張不一致を有する一例としての屈折要素５１０を示す。屈折要素５１０は、屈折要素５１１と、光学媒体５１３とを含む。一般に、光学媒体５１３が屈折要素５１１よりも大きい格子サイズを有する場合、引っ張り応力を屈折要素５１１の表面に誘導し得、凹湾曲表面を形成し得る。例えば、光学媒体５１３はゲルマニウムで構成し得、屈折要素５１１はケイ素で構成し得る。幾つかの実施態様では、凹湾曲表面を使用して、入射光を部分的にデフォーカスし得る。
【００５２】
図５Ｃは、側壁からの圧縮応力誘導湾曲を有する一例としての屈折要素５２０を示す。屈折要素５２０は、屈折要素５２１と、屈折要素５２１の周囲の少なくとも一部を囲む側壁５２３とを含む。圧縮応力を屈折要素５２１の表面に誘導し得る場合、凸湾曲表面を形成し得る。例えば、側壁５２３は熱酸化物又は緻密な窒化物で構成し得、屈折要素５２１はケイ素で構成し得る。幾つかの実施態様では、凸湾曲表面を使用して、入射光を部分的にフォーカスし得る。
【００５３】
図５Ｄは、側壁からの引っ張り応力誘導湾曲を有する一例としての屈折要素５３０を示す。屈折要素５３０は、屈折要素５３１と、屈折要素５３１の周囲の少なくとも一部を囲む側壁５３３とを含む。引っ張り応力を屈折要素５３１の表面に誘導し得る場合、凹湾曲表面を形成し得る。例えば、側壁５３３は多孔性酸化物又は窒化物で構成し得、屈折要素５３１はケイ素で構成し得る。幾つかの実施態様では、凹湾曲表面を使用して、入射光を部分的にデフォーカスし得る。
【００５４】
図６Ａは、２つのドープ領域を有し、屈折要素内に少なくとも部分的に埋め込まれるか、又は屈折要素に少なくとも部分的に集積されることによって屈折要素に結合される変調要素を示す一例としてのフォトニック集積回路６００を示す。手短に言えば、屈折要素の有効屈折率は、屈折要素のドープ領域の有効屈折率は、屈折要素のドープ領域からの自由キャリアの減少又は注入により変調し得る。屈折要素の有効屈折率の変調は、屈折要素のフィルタ応答及び／又は屈折特性を変更する。幾つかの実施態様では、変調要素は、屈折要素から出る入射光の少なくとも一部の方向、屈折要素から出る入射光の焦点距離、又は屈折要素の周期的構造体の群によってフィルタリングされる１つ若しくは複数の波長の選択を変更するように構成される。フォトニック集積回路６００は屈折要素６０１を含む。屈折要素６０１は、本願で説明される任意の屈折要素を使用して実施される周期的構造体の群を含み得る。幾つかの実施態様では、屈折要素６０１は湾曲表面を含み得る。さらに、屈折要素６０１は、第１のドープ領域６０２と、第２のドープ領域６０４とを含む。例えば、第１のドープ領域６０２はｐドープ領域であり得、第２のドープ領域６０４はｎドープ領域であり得、屈折要素６０１にｐ−ｎ接合を形成する。幾つかの実施態様では、逆方向バイアス電圧をｐ−ｎ接合に印加することで、キャリアは接合領域から減少し、屈折要素６０１の有効屈折率は、それにしたがって変更される。幾つかの実施態様では、順方向バイアス電圧をｐ−ｎ接合に印加することで、キャリアは接合領域に注入され、屈折要素６０１の有効屈折率は、それにしたがって変更される。
【００５５】
図６Ｂは、３つのドープ領域を有する変調要素に集積された屈折要素を示す一例としてのフォトニック集積回路６１０を示す。手短に言えば、ドープ領域数が増大すると、屈折要素内の空乏領域数は増大し、したがって、屈折率の変更が生じる量が増大する。フォトニック集積回路６１０は屈折要素６１１を含む。屈折要素６１１は、本願で説明される任意の屈折要素を使用して実施される周期的構造体の群を含み得る。幾つかの実施態様では、屈折要素６１１は湾曲表面を含み得る。さらに、屈折要素６１１は、第１のドープ領域６１２と、第２のドープ領域６１４と、第３のドープ領域６１６とを含む。一例として、第１のドープ領域６１２はｐドープ領域であり得、第２のドープ領域６１４はｎドープ領域であり得、第３のドープ領域６１４はｐドープ領域であり得、屈折要素６１１にｐ−ｎ−ｐ接合を形成する。別の例として、第１のドープ領域６１２はｎドープ領域であり得、第２のドープ領域６１４はｐドープ領域であり得、第３のドープ領域６１４はｎドープ領域であり得、屈折要素６１１にｎ−ｐ−ｎ接合を形成する。一例として、第１のドープ領域６１２はｐドープ領域であり得、第２のドープ領域６１４は真性領域であり得、第３のドープ領域６１４はｎドープ領域であり得、屈折要素６１１にｐ−ｉ−ｎ接合を形成する。幾つかの実施態様では、順方向バイアス電圧又は逆方向バイアス電圧を印加することで、キャリアは屈折要素６１１内の接合領域に注入され、且つ／又は減少し、屈折要素６１１の有効屈折率は、それにしたがって変更される。
【００５６】
図６Ｃは、互いに入り込むドープ領域を有する変調要素に集積された屈折要素を示す一例としてのフォトニック集積回路６２０を示す。手短に言えば、屈折要素の直径が、ｐ−ｎ接合によって作成される１つの空乏領域よりもはるかに大きい場合、互いに入り込んだドープ領域が望ましいことがある。屈折要素全体を通して互いに入り込んだドープ領域を形成することにより、有効屈折率のより大きな全体変更を得ることができる。フォトニック集積回路６２０は屈折要素６２１を含む。屈折要素６２１は、本願で説明される任意の屈折要素を使用して実施される周期的構造体の群を含み得る。幾つかの実施態様では、屈折要素６２１は湾曲表面を含み得る。さらに、屈折要素６２１は、互いに入り込んだドープ領域６２２ａ〜６２２ｎを含み、ここで、ｎは整数である。一例として、互いに入り込んだドープ領域６２２ａ〜６２２ｎは、交互になったｐドープ及びｎドープを有し得、屈折要素６２１にｐ−ｎ−ｐ−ｎ−ｐ−・・・接合を形成する。別の例として、互いに入り込んだドープ領域６２２ａ〜６２２ｎは交互になったｐドープ、真性、及びｎドープを有し得、屈折要素６２１にｐ−ｉ−ｎ−ｐ−ｉ−ｎ−ｐ−・・・接合を形成する。幾つかの実施態様では、逆方向バイアス電圧を印加することで、キャリアは、屈折要素６２１内の複数の空乏領域から減少し、屈折要素６２１の有効屈折率は、それにしたがって変更される。幾つかの実施態様では、順方向バイアス電圧を印加することで、キャリアは屈折要素６２１内の複数の空乏領域に注入され、屈折要素６２１の有効屈折率は、それにしたがって変更される。
【００５７】
図６Ｄは、複数のドープ領域を有する変調要素に集積された光学媒体を示す一例としてのフォトニック集積回路６３０を示す。手短に言えば、光学媒体の有効屈折率は、自由キャリアの減少又は注入によって変調し得る。光学媒体の有効屈折率の変調は、屈折要素から出る光の屈折特性を変更する。フォトニック集積回路６３０は、光学媒体６３３に形成される屈折要素６３１を含む。屈折要素６３１は、本願で説明される任意の屈折要素を使用して実施される周期的構造体の群を含み得る。幾つかの実施態様では、屈折要素６３１は湾曲表面を含み得る。さらに、光学媒体６３３は、第１のドープ領域６３５と、第２のドープ領域６３７とを含む。例えば、第１のドープ領域６３５はｐドープ領域であり得、第２のドープ領域６３７はｎドープ領域であり得、光学媒体６３３にｐ−ｎ接合を形成する。幾つかの実施態様では、逆方向バイアス電圧をｐ−ｎ接合に印加することで、キャリアは接合領域から減少し、光学媒体６３３の有効屈折率は、それにしたがって変更される。幾つかの実施態様では、順方向バイアス電圧をｐ−ｎ接合に印加することで、キャリアは接合領域に注入され、光学媒体６３３の有効屈折率は、それにしたがって変更される。
【００５８】
図７Ａは、圧電効果によって制御される屈折要素を示す一例としてのフォトニック集積回路７００を示す。一般に、圧電材料では、電圧の印加により、機械的な力を及ぼして、圧電材料の形状を変更する。この例では、フォトニック集積回路７００は、光学媒体７０３と、光学媒体７０３に形成される屈折要素７０１と、屈折要素７０１に結合される電圧源７０５とを含む。屈折要素７０１は、本願で説明される任意の屈折要素を使用して実施される周期的構造体の群を含み得る。幾つかの実施態様では、屈折要素７０１は湾曲表面を含み得る。さらに、屈折要素７０１は圧電材料を含み得る。幾つかの実施態様では、電圧源７０５を使用して電圧を印加することにより、屈折要素７０１に機械的な力を及ぼして、屈折要素７０１の表面の所定の曲率を変更し得る。幾つかの実施態様では、電圧源７０５を使用して電圧を印加することにより、屈折要素７０１に機械的な力を及ぼして、屈折要素７０１のフォトニック結晶構造の半径又は周期を変更し得る。
【００５９】
図７Ｂは、圧電効果によって制御される屈折要素を示す一例としてのフォトニック集積回路７１０を示す。この例では、フォトニック集積回路７１０は、光学媒体７１３と、光学媒体７１３に形成される屈折要素７１１と、光学媒体７１３に結合される電圧源７１５とを含む。屈折要素７１１は、本願で説明される任意の屈折要素を使用して実施される周期的構造体の群を含み得る。幾つかの実施態様では、屈折要素７１１は湾曲表面を含み得る。さらに、光学媒体７１３は圧電材料を含み得る。幾つかの実施態様では、電圧源７１５を使用して電圧を印加することにより、光学媒体７１３に機械的な力を及ぼし得、光学媒体７１３上に形成される屈折要素７１１の表面の所定の曲率の変更を誘導する。幾つかの実施態様では、電圧源７１５を使用して電圧を印加することにより、光学媒体７１３に機械的な力を及ぼし得、光が光学媒体７１３内部で略ｚ軸に沿って移動する際、光路長の変更を誘導する。
【００６０】
図８Ａは、容量効果によって制御される屈折要素を示す一例としてのフォトニック集積回路８００を示す。一般に、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）を使用して、屈折要素と光学媒体との間に電場を印加することにより、静電力（electrostatic force）を生成し得、この静電力は、光学媒体に相対して屈折要素の位置を変更させる。この例では、フォトニック集積回路８００は、光学媒体８０３と、屈折要素８０１と、支持要素８０７と、屈折要素８０１及び光学媒体８０３に結合される電圧源８０５とを含む。屈折要素８０１は、湾曲表面を含み得るか、又は本願で説明される任意の屈折要素を使用して実施される周期的構造体の群を含み得る。さらに、電圧源８０５によって外部電場が印加されると、屈折要素８０１及び光学媒体８０３は、キャパシタの２つの電極として動作し、屈折要素８０１と光学媒体８０３との間に静電力を生成し得る。一例として、正電荷を屈折要素８０１の下部に蓄積し得、負電荷を光学媒体８０３の上部に蓄積し得、屈折要素８０１と光学媒体８０３との距離を変更させるように機能する静電力を形成する。支持要素８０７は、屈折要素８０１の少なくとも２つの端部において支持するため、静電力は、矢印８０９で示されるように、光学媒体に相対する屈折要素の位置を変更させる。幾つかの実施態様では、位置の変更を使用して、屈折要素８０１から出る合焦ビームの光路を調整し得る。幾つかの実施態様では、電圧源８０５を使用して電圧を印加することにより、フォトニック結晶構造体の半径／周期又は屈折要素８０１の所定の曲率を変更し得る。
【００６１】
図８Ｂは、容量効果によって制御される屈折要素を示す一例としてのフォトニック集積回路８１０を示す。一般に、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）を使用して、屈折要素と光学媒体との間に電場を印加することにより、静電力を生成し得、この静電力は、入射光の光軸に相対して屈折要素の向きを変更させる。この例では、フォトニック集積回路８１０は、光学媒体８１３と、屈折要素８１１と、支持要素８１７と、屈折要素８１１及び光学媒体８１３に結合される電圧源８１５とを含む。屈折要素８１１は、湾曲表面を含み得るか、又は本願で説明される任意の屈折要素を使用して実施される周期的構造体の群を含み得る。一例として、正電荷を屈折要素８１１の先端の下部に蓄積し得、負電荷を光学媒体８１３の上部に蓄積し得、屈折要素８１１と光学媒体８１３との距離を変更させるように機能する静電力を形成する。支持要素８１７は、屈折要素８１１の一端部のみを支持するため、屈折要素８１１は片持ち梁として機能し得る。静電力は、矢印８１９で示されるように、入射光の光軸に相対する屈折要素の向きを変更させる。幾つかの実施態様では、向きの変更を使用して、屈折要素８１１に入る入射ビームの入射角を調整し得る。幾つかの実施態様では、向きの変更を使用して、光学媒体８１３から屈折要素８１１に入る光学信号の放射角を調整し得る。
【００６２】
図９は、屈折要素を製造する流れ図の一例を示す。プロセスフロー９００は、示される順序で行われてもよく、又は示される順序とは異なる順序で行われてもよい。９００でのステップの幾つかは、任意選択的であり得る。プロセス９００は、製造ステップを実行する１つ又は複数の装置を制御する１つ又は複数のコンピュータ等のデータ処理装置を含むシステムによって実行し得る。
【００６３】
システムは、フォトニック集積回路を製造する（９０２）。フォトニック集積回路の製造は、ＣＭＯＳ互換性製造技法の組み合わせによって行い得る。例えば、投影リソグラフィ、電子ビームリソグラフィ、コンタクトリソグラフィ、又は任意の他の適するリソグラフィ技法等のリソグラフィ技法を使用して、フォトニック集積回路をパターニングし得る。別の例として、ドライエッチング、ウェットエッチング、又は任意の他の適するエッチング技法等のエッチング技法を使用して、パターニングされたフォトニック集積回路をエッチングし得る。別の例として、化学蒸着堆積、プラズマエンハンスト化学蒸着堆積、スパッタリング、又は任意の他の適する薄膜堆積技法等の薄膜堆積技法を使用して、材料の１つ又は複数の層をフォトニック集積回路上に堆積させ得る。
【００６４】
システムは、屈折要素の表面湾曲を製造する（９０４）。幾つかの実施態様では、屈折要素を、基板に形成された層に接合し得る。例えば、図８Ａを参照すると、屈折要素８０１を支持要素８０７に接合し得る。幾つかの実施態様では、表面湾曲はグレースケールマスクを使用して形成し得る。幾つかの他の実施態様では、表面湾曲は加工関連歪み（process-related strain）によって生じ得る。
【００６５】
システムは、屈折要素の周期的構造体を製造する（９０６）。幾つかの実施態様では、周期的構造体に、屈折要素の有効屈折率とは異なる屈折率を有する材料を充填し得る。幾つかの実施態様では、周期的構造体の群の１つ又は複数の周期的構造体は、周期的構造体の群の１つ又は複数の他の周期的構造体の半径とは異なる半径を有するように形成し得る。幾つかの他実施態様では、周期的構造体の群の複数の周期的構造体は、局所的な非均一周期で形成し得る。
【００６６】
幾つかの実施態様について説明した。それにもかかわらず、本開示の趣旨及び範囲から逸脱せずに様々な変更を行い得ることが理解されるだろう。例えば、ステップを順序変更、追加、又は除去して、上記で示される様々な形態の流れを使用し得る。例えば、図９では、ステップ９０６をステップ９０４の前に行うことも可能である。
【００６７】
様々な実施態様について、説明を容易にするため、及び例示のために、二次元断面を使用して考察したこともある。それにもかかわらず、三次元構造体に対応する二次元断面がある限り、三次元変形及び派生も本開示の範囲内に含まれるべきである。
【００６８】
本明細書に記載される実施形態及び全ての機能動作は、デジタル電子回路、コンピュータソフトウェア、ファームウェア、本明細書に開示される構造体及びそれらの構造的均等物を含むハードウェア、又はそれらの１つ若しくは複数の組み合わせで実施し得る。実施形態は、１つ又は複数のコンピュータプログラム製品、すなわち、データ処理装置によって実行されるか、又はデータ処理装置の動作を制御する、コンピュータ可読媒体に符号化されたコンピュータプログラム命令の１つ又は複数のモジュールとして実施し得る。コンピュータ可読媒体は、機械可読記憶装置、機械可読記憶基板、目折り装置、機械可読伝搬信号に影響する物の組成物、又はそれらの１つ若しくは複数の組み合わせであり得る。コンピュータ可読媒体は、非一時的なコンピュータ可読媒体であり得る。「データ処理装置」という用語は、例として、プログラマブルプロセッサ、コンピュータ、又は複数のプロセッサ若しくはコンピュータを含む、データを処理する全ての装置、デバイス、及び機械を包含する。装置は、ハードウェアに加えて、問題となっているコンピュータプログラムの実行環境を生み出すコード、例えば、プロセッサファームウェア、プロトコルスタック、データベース管理システム、オペレーティングシステム、又はそれらの１つ若しくは複数の組み合わせを構成するコードを含み得る。伝搬信号は、情報を符号化して適する受信器装置に送信されるために生成される人工的に生成される信号、例えば、機械生成電気、光学、又は電磁信号であり得る。
【００６９】
コンピュータプログラム（プログラム、ソフトウェア、ソフトウェアアプリケーション、スクリプト、又はコードとしても知られる）は、コンパイル型又はインタープリタ型言語を含み、任意の形態のプログラミング言語で書くことができ、独立型プログラム、モジュール、構成要素、サブルーチン、又は計算環境での使用に適する他のユニットとして含み、任意の形態でデプロイし得る。コンピュータプログラムは、必ずしもファイルシステム内のファイルに対応する必要はない。プログラムは、他のプログラム若しくはデータ（例えば、マークアップ言語ドキュメントで記憶される１つ若しくは複数のスクリプト）を保持するファイルの一部、問題となっているプログラム専用の単一のファイル、又は複数の統制されたファイル（例えば、１つ若しくは複数のモジュール、サブプログラム、若しくはコードの部分を記憶するファイル）に記憶し得る。コンピュータプログラムは、単一のサイトに配置されるか、又は複数のサイトにわたって分散し、通信ネットワークによって相互接続される１つのコンピュータ又は複数のコンピュータで実行されるようにデプロイし得る。
【００７０】
本願に記載されるプロセス及び論理の流れは、１つ又は複数のコンピュータプログラムを実行して、入力データに対して動作して出力を生成することにより、機能を実行する１つ又は複数のプログラマブルプロセッサによって実行し得る。プロセス及び論理の流れは、専用論理回路、例えば、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）又はＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）によって実行することもでき、装置は、専用論理回路、例えば、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）又はＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）として実施することもできる。
【００７１】
コンピュータプログラムの実行に適するプロセッサは、例として、汎用マイクロプロセッサ及び専用マイクロプロセッサの両方並びに任意の種類のデジタルコンピュータの任意の１つ又は複数のプロセッサを含む。一般に、プロセッサは、命令及びデータを読み取り専用メモリ、ランダムアクセスメモリ、又はこれら両方から受信する。コンピュータの本質的な要素は、命令を実行するプロセッサと、命令及びデータを記憶する１つ又は複数のメモリ装置とである。一般に、コンピュータは、データを記憶する１つ若しくは複数の大容量記憶装置、例えば、磁気ディスク、磁気光学ディスク、若しくは光ディスクも含むか、大容量記憶装置に動作可能に結合されて、データを受信するか、若しくはデータを転送するか、又はこれらの両方である。しかし、コンピュータはそのような装置を有する必要はない。さらに、コンピュータは、別の装置、例えば、数例を挙げれば、タブレットコンピュータ、携帯電話、個人情報端末（ＰＤＡ）、モバイルオーディオプレーヤ、全地球測位システム（ＧＰＳ）受信器に埋め込み得る。コンピュータプログラム命令及びデータの記憶に適するコンピュータ可読媒体は、例として、半導体メモリ装置、例えば、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、及びフラッシュメモリ装置、磁気ディスク、例えば、内部ハードディスク又はリムーバブルディスク、磁気光学ディスク、並びにＣＤ−ＲＯＭ及びＤＶＤ−ＲＯＭディスクを含む全ての形態の不揮発性メモリ、媒体、及びメモリ装置を含む。プロセッサ及びメモリは、専用論理回路によって補足してもよく、又は専用論理回路内に組み込まれてもよい。
【００７２】
ユーザとの対話を提供するために、実施形態は、ユーザに情報を表示する表示装置、例えば、ＣＲＴ（陰極線管）又はＬＣＤ（液晶ディスプレイ）モニタと、ユーザが入力をコンピュータに提供できるようにするキーボード及びポインティングデバイス、例えば、マウス又はトラックボールとを有するコンピュータで実施し得る。ユーザとの対話を提供するために、同様に他の種類の装置を使用してもよく、例えば、ユーザに提供されるフィードバックは、任意の形態のセンサフィードバック、例えば、視覚的フィードバック、聴覚的フィードバック、又は触覚的フィードバックであり得、ユーザからの入力は、音響、発話、又は接触入力を含む任意の形態で受信し得る。
【００７３】
実施形態は、例えば、データサーバとしてバックエンド構成要素を含む計算システム、ミドルウェア構成要素、例えば、アプリケーションサーバを含む計算システム、ユーザが開示される技法の実施態様と対話できるようにするグラフィカルユーザインタフェース若しくはウェブブラウザを有するフロントエンド構成要素、例えば、クライアントコンピュータを含む計算システム、又はそのようなバックエンド構成要素、ミドルウェア構成要素、若しくはフロントエンド構成要素の１つ若しくは複数の任意の組み合わせで実施し得る。システムの構成要素は、任意の形態又は媒体のデジタルデータ通信、例えば、通信ネットワークによって相互接続し得る。通信ネットワークの例としては、ローカルエリアネットワーク（「ＬＡＮ」）及び広域ネットワーク（「ＷＡＮ」）、例えば、インターネットが挙げられる。
【００７４】
計算システムは、クライアント及びサーバを含み得る。クライアント及びサーバは一般に、互いから離れており、通常、通信ネットワークを通して相互作用する。クライアント及びサーバの関係は、各コンピュータで実行中であり、互いにクライアント−サーバ関係を有するコンピュータプログラムによって生じる。
【００７５】
本明細書は多くの詳細を含むが、これらは限定としてではなく、特定の実施形態に固有の特徴の説明として解釈されるべきである。別個の実施形態の文脈の中で本明細書において説明される特定の特徴は、単一の実施形態で組み合わせて実施することも可能である。逆に、単一の実施形態の文脈の中で説明される様々な特徴は、複数の実施形態において別個に実施してもよく、又は任意の適する下位組み合わせで実施することもできる。さらに、特徴は、特定の組み合わせで動作するものとして上述され、最初にそのように特許請求され得るが、特許請求される組み合わせからの１つ又は複数の特徴は、場合によっては、その組み合わせから実施し得、特許請求される組み合わせは、下位組み合わせ又は下位組み合わせの変形に向けられ得る。
【００７６】
同様に、動作は図面において特定の順序で示されるが、これは、所望の結果を達成するために、そのような動作を示される特定の順序で、すなわち、順次実行すること、又は示されている全ての動作が実行されることを要求するものとして理解されるべきではない。特定の状況では、マルチタスク及び並列処理が有利であり得る。さらに、上述した実施形態での様々なシステム構成要素の分離は、全ての実施形態でそのような分離が要求されることとして理解されるべきではなく、記載されるプログラム構成要素及びシステムを一般に、単一のソフトウェア製品に一緒に統合してもよく、又は複数のソフトウェア製品にパッケージしてもよいことを理解されたい。
【００７７】
したがって、特定の実施形態について説明した。他の実施形態も以下の特許請求の範囲内にある。例えば、特許請求の範囲に記載される動作は、異なる順序で実行し得、それでもなお所望の結果を達成し得る。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【外国語明細書】
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