(57)【要約】本開示の複数側面は、光フェーズドアレイ較正のシステム、方法及び構造物を記述する。この較正は有利なことに、一回の干渉測定のみについての位相オフセットの一回通過測定として行うことができる。先行技術とは著しく対照的に、本開示の複数側面に係るシステム、方法及び構造物は有利なことに、先行技術により必要とされる時間のかかる反復手順又は多数の検出器信号なしで、各素子の位相オフセット及び位相関数を生成することができる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
光構造物であって、
一の基板を含み、
前記基板には、
一アレイの複数の光移相器と、
前記一アレイの複数の光移相器と光通信する一アレイの複数の光アンテナと、
前記一アレイの複数の光アンテナと光通信する一の出力光分散ネットワークと、
前記出力光分散ネットワークと光通信する一の検出器素子と
が形成され、
前記光構造物は、前記複数の光移相器を横切る光が移相されるように構成され、
前記移相された光は、前記複数の光アンテナへと向けられ、少なくとも一部分が前記複数の光アンテナを透過し、
前記複数の移相器のすべてからの前記透過した光は、前記出力光分散ネットワークへと向けられ、それに引き続き前記検出器素子へと向けられ、
前記検出器素子は、前記透過した光を一の干渉信号として検出し、
前記干渉信号は、前記一アレイの複数の光移相器における前記移相器のすべてからの光を含み、前記複数の光アンテナと前記検出器素子との間の個々の光路の長さがすべて等しい、光構造物。
【請求項２】
前記検出器素子は複数の個別検出器を含む、請求項１の光構造物。
【請求項３】
前記複数の個別検出器は並列に電気接続される、請求項２の光構造物。
【請求項４】
前記複数の個別検出器は、多数検出器の複数セットに配列され、
各セットは同じ数の個別検出器を含み、
各セットは並列に電気接続される、請求項２の光構造物。
【請求項５】
並列に電気接続される多数検出器の２つのセットが存在する、請求項４の光構造物。
【請求項６】
前記複数の個別検出器の各一つが、前記一アレイの複数の光アンテナの所定数を通るように透過した光を受光する、請求項２の光構造物。
【請求項７】
前記複数検出器の個々の一つに光を送信する前記一アレイの複数の光アンテナの前記所定数は、前記複数の検出器における前記複数の個別検出器のすべてに対して同じである、請求項６の光構造物。
【請求項８】
前記基板に形成されて前記一アレイの複数の光移相器と光通信する入力分散ネットワークをさらに含み、
前記入力分散ネットワークは、一のソースからの光を受光して前記受光した光を前記一アレイの複数の光移相器に分散させるべく構成される、請求項１の光構造物。
【請求項９】
前記構造物に対して決定される位相オフセットは、広帯域の波長にわたって有効である、請求項１の光構造物。
【請求項１０】
光構造物であって、
一の基板を含み、
前記基板には、
一の入力光分散ネットワークと、
前記入力光分散ネットワークと光通信する一アレイの複数の光移相器と、
前記一アレイの複数の光移相器と光通信する一アレイの複数の光アンテナと、
前記一アレイの複数の光移相器と光通信する一アレイの複数の反射器素子と、
一の光路において前記一アレイの複数の光移相器の前段に配置されて前記一アレイの複数の光移相器と通信する一の検出器素子と
が形成され、
前記光構造物は、前記複数の光移相器を横切る光が移相されるように構成され、
前記移相された光は前記一アレイの複数の反射器素子の方に向けられ、
前記移相された光の少なくとも一部分が、前記複数の移相器を通って戻るように反射されて実質的に干渉信号として前記検出器素子へと向けられ、
前記検出器素子は前記干渉信号を検出する、光構造物。
【請求項１１】
前記干渉信号は、前記一アレイの複数の移相器における前記複数の移相器すべてによって移相された光を含む、請求項１０に記載の光構造物。
【請求項１２】
結合された前記干渉ビームになった前記光の複数部分が、前記複数の移相器の対応する一つを、一回を超えて横切る、請求項１０に記載の光構造物。
【請求項１３】
前記検出器素子は複数の個別検出器を含む、請求項１０の光構造物。
【請求項１４】
前記複数の検出器の各一つが、前記一アレイの複数の光反射器の所定数からの光を受光する、請求項１３に記載の光構造物。
【請求項１５】
前記検出器素子は、入力ローカル発振器を有するコヒーレント検出器である、請求項１０に記載の光構造物。
【請求項１６】
前記コヒーレント検出器は平衡検出器又はＩＱ検出器である、請求項１５に記載の光構造物。
【請求項１７】
前記一アレイの複数の光反射器は、前記一アレイの複数の光移相器と前記一アレイの複数の光アンテナとの間の光路に配置される、請求項１０に記載の光構造物。
【請求項１８】
前記一アレイの複数の光反射器は、光路において前記一アレイの複数の光アンテナの後段に配置される、請求項１０に記載の光構造物。
【請求項１９】
前記一アレイの光反射器は、前記一アレイの複数の光アンテナのそれぞれに、波長独立の分散反射器として形成される、請求項１０に記載の光構造物。
【請求項２０】
前記一アレイの複数の光反射器は、前記一アレイの複数の光アンテナからなり、
前記アンテナの個別アンテナはそれぞれが、波長独立のブラッグ条件を示す、請求項１０に記載の光構造物。
【請求項２１】
光構造物を較正する方法であって、
前記光構造物は、一アレイの複数の放射アンテナ素子と光通信する一アレイの複数の移相素子が形成された基板を含み、
前記方法は、
前記移相素子を通る個別光信号を検出することであって、前記個別光信号は移相されることと、
前記移相された光信号を前記一アレイの複数の放射アンテナへと向けることと、
前記一アレイの移相素子の各個別の一つに対し、
前記個別の移相素子が与える移相量を所定パターンにわたって変化させる一方で、
前記放射及び移相がされた光信号がもたらす干渉信号を検出することであって、前記干渉信号は前記複数の移相素子すべてからの光を含むことと、
前記検出された干渉信号から、前記光構造物の、前記干渉信号に対する全体的な位相オフセットを決定することと
を含む、方法。
【請求項２２】
前記一アレイにおける個別の移相素子の各一つに対する移相対電圧関係を決定することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記一アレイにおける個別の移相素子の各一つに対する減衰対電圧関係を決定することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
一の個別の移相素子に対して移相量を変化させている間、他の位相素子はすべてが有効というわけではない、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
異なる周波数における前記移相素子のいくつかに対する移相量を変化させることと、
前記干渉信号における各周波数成分の位相オフセットを決定することと
をさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１８年２月１６日に出願された米国仮特許出願第６２／６３１，５７６号の利益を主張する。
【０００２】
本開示は一般に、光フェーズドアレイに関する。詳しくは、干渉を介した光フェーズドアレイ較正のシステム、方法及び構造物に関する。
【背景技術】
【０００３】
知られていることだが、チップスケールの光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）は、光検出及び測距（ＬｉＤＡＲ）、自由空間通信、ホログラフィックディスプレイ並びに生体医学イメージングを含む多くのアプリケーションに対して有用であることが証明されていることから絶大な興味を集めている。かかるアプリケーションのためのＯＰＡの知られた利点は、低減されたサイズ及び重量、相対的に低いコスト、及び高信頼性を含む。かかるアプリケーションの社会的重要性を考慮すると、ＯＰＡの較正が最も重要ということになる。したがって、ＯＰＡの較正改善を与えるシステム、方法及び構造物を業界に追加することが歓迎される。
【発明の概要】
【０００４】
干渉信号を介した光フェーズドアレイ較正のシステム、方法及び構造物に向けられた本開示の複数側面により、業界における進展が図られる。
【０００５】
先行技術とは著しく対照的に、本開示の複数側面によれば、光フェーズドアレイの較正は有利なことに、一つの干渉信号のみについての位相オフセットの一回通過測定として行うことができる。先行技術とはさらに対照的に、本開示の複数側面に係るシステム、方法及び構造物は有利なことに、先行技術により必要とされる時間のかかる反復手順又は多数の検出器信号なしで、各素子の位相オフセット及び位相関数を生成することができる。
【０００６】
一つの例示的側面から見れば、本開示の複数側面に係る光フェーズドアレイのシステム、方法及び構造物は、基板を含む光構造物を含んでよい。その基板上には、光移相器のアレイと、当該光移相器のアレイと光通信する光アンテナのアレイと、当該光アンテナのアレイと光通信する出力光分散ネットワークと、当該出力光分散ネットワークと光通信する検出器素子とが形成され、前記光構造物は、当該光移相器を横切る光が移相されるように構成され、当該移相された光は、光アンテナに向けられ、少なくとも一部分が当該光アンテナを透過する。当該移相器のすべてからの透過した光が当該出力光分散ネットワークに向けられ、それに引き続き当該検出器素子に向けられる。当該検出器素子は、各移相器からの透過した光を干渉信号として検出し、当該光アンテナと検出器素子との間の個別光経路の長さがすべて等しくされる。有利なことに、かかる光経路長の同等性により、広範囲の波長に対する有効な較正が可能となる。
【０００７】
さらに他の例示的側面から見ると、本開示の複数側面に係る光フェーズドアレイのシステム、方法及び構造物は、基板を含む光構造物を含んでよい。当該光構造物上には、入力光分散ネットワークと、当該入力光分散ネットワークと光通信する光移相器のアレイと、当該光移相器のアレイと光通信する光アンテナのアレイと、当該光移相器のアレイと光通信する反射器素子のアレイと、当該光移相器のアレイと光通信して光経路において当該光移相器のアレイの前段に配置された検出器素子とが形成され、前記光構造物は、光移相器を横切る光が移相されるように構成され、当該移相された光は反射器素子のアレイの方に向けられ、当該移相された光の少なくとも一部分が、当該光移相器を通って戻るように反射されて実質的に干渉信号として当該干渉信号を検出する検出器素子へと向けられる。
【０００８】
さらに他の例示的側面から見ると、本開示の複数側面に係る光フェーズドアレイのシステム、方法及び構造物は、光構造物の較正方法を含む。放射光構造物は、一アレイの放出アンテナ素子と光通信する一アレイの移相素子が形成される基板を含み、方法は、個別光信号を、当該移相素子を通るように向けて当該個別光信号を移相することと、当該移相された光信号を当該一アレイの放射アンテナへ向けて当該光信号を放射することと、当該一アレイの移相素子の個々の一つに対し、当該個々の移相素子が与える移相量を所定のパターンにわたるように変えることと、当該放射されて移相された光信号がもたらす干渉信号を検出することと、当該検出された干渉信号から当該光構造物の、当該干渉信号に対する全体的な移相量を決定することとを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
添付の図面を参照することにより、本開示の完全な理解を実現することができる。
【００１０】
【図１】本開示の複数側面に係るオンチップ検出器を含む例示の光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）構造物を示す模式図である。
【図２】本開示の複数側面に係るオンチップ検出器及びタップを含む代替的な例示のＯＰＡ構造物を示す模式図である。
【図３】本開示の複数側面に係る出力分散ネットワーク及び多数の光検出器を含む代替的な例示のＯＰＡ構造物を示す模式図である。
【図４】本開示の複数側面に係る出力分散ネットワーク及び多数の光検出器を含む他の代替的な例示のＯＰＡ構造物を示す模式図である。
【図５】本開示の複数側面に係るオンチップ検出器及び移相器とアンテナとの間に配置される反射器を含む例示のＯＰＡ構造物を示す模式図である。
【図６】本開示の複数側面に係るオンチップ検出器及びアンテナの後段に配置される反射器を含む代替的な例示のＯＰＡ構造物を示す模式図である。
【図７】本開示の複数側面に係るオンチップ検出器及び分散反射器を含む例示のＯＰＡ構造物を示す模式図である。
【図８】本開示の複数側面に係るオンチップコヒーレント／平衡検出器及び反射器を含む例示のＯＰＡ構造物を示す模式図である。
【図９】本開示の複数側面に係るオンチップコヒーレント／平衡検出器及びアンテナの後段に配置される反射器を含む例示のＯＰＡ構造物を示す模式図である。
【図１０】本開示の複数側面に係るオンチップコヒーレント／平衡検出器及び分散反射器を含む例示のＯＰＡ構造物を示す模式図である。
【図１１】本開示の複数側面に係る６４個の素子による複素数体値干渉信号の生成を示すプロットである。
【図１２（Ａ）】本開示の複数側面に係るランダムにされた位相面を有する一次元６４素子光フェーズドアレイの初期角放出遠距離場パワー対遠距離場角度を示すプロットである。
【図１２（Ｂ）】初期遠距離場パワーに対する、本開示の複数側面に従って干渉測定が行われる場合を示すゼロ度（０°）近くの遠距離場角度を示すプロットの拡大図である。
【図１３（Ａ）】本開示の複数側面に係る３個の例示の移相器の、光移相器を掃引するときの適用位相に対する、遠距離場パワーの０°の移相器の効果を示すプロットである。
【図１３（Ｂ）】本開示の複数側面に係る６４個の例示の移相器の、光移相器を掃引するときの適用位相に対する、遠距離場パワーの０°の移相器の効果を示すプロットである。
【図１４（Ａ）】本開示の複数側面に係る較正された例示の光フェーズドアレイの、遠距離場度数に対する遠距離場パワーを示すプロットである。
【図１４（Ｂ）】本開示の複数側面に係る較正された例示の光フェーズドアレイの、較正された遠距離度数に対する遠距離パワーを示すプロットの拡大図である。
【図１５】本開示の複数側面に係る光フェーズドアレイの例示の較正方法を示すフロー図である。
【００１１】
例示の複数の実施形態が、図面及び詳細な説明により十分に記載される。しかしながら、本開示に係る実施形態は、様々な形態で実施してよく、図面及び詳細な説明に記載される特定の又は例示の実施形態に限られない。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下は、本開示の原理の例示にすぎない。すなわち、わかることであるが、当業者は、ここに明示的に記載又は図示されていないが、本開示の原理を具体化し、その要旨及び範囲の中に含まれる様々な配列を考え出すことができる。
【００１３】
さらに、ここに記載される例及び条件付き言語はすべて、本開示の原理及び本技術を発展させるべく発明者が寄与する概念を読者が理解するのを援助する教育的目的のためのみであることが意図され、かかる具体的に記載された例及び条件に限定されることがないものと解釈されるべきである。
【００１４】
さらに、本開示の原理、側面及び実施形態、並びにそれらの具体例を記載するここの陳述はすべて、その構造的等価物及び機能的等価物双方を包含することを意図する。加えて、かかる等価物が、現在知られている均等物、及び将来開発される均等物の双方、すなわち、構造に関係なく同じ機能を行う開発された任意要素、を含むことが意図される。
【００１５】
よって、当業者にわかることだが、例えば、ここでの任意のブロック図は、本開示の原理を具体化する例示的な回路の概念図を表す。
【００１６】
ここで特に言及されない限り、描画を含む図面は縮尺通りではない。
【００１７】
いくつかの付加的な背景として、光フェーズドアレイが、回折制限された出力ビームを有する光を送信及び受信するための広範な適用性を見出していることが指摘される。大きなアパチャを構成するには、数千もの素子が必要とされる。ビームフォーミングのための当該素子間にわたる所望の位相分布をもたらすべく、速く、効率的かつロバストな較正手順が必要とされる。理想的に、かかる手順は、較正がその場で行われるようにオンチップで行われる。
【００１８】
本開示を参照する当業者に容易にわかることだが、本開示に係るシステム、方法及び構造物は、一の光フェーズドアレイの少なくとも一部分を形成する複数の光素子の制御信号に対する未知の個別位相オフセット及び位相を、有利かつ直接的に測定する。特に有利なことに、当該測定を行うのに必要なのは、一つの検出器素子のみである。ただし、一つを超える検出器を使用することもできる。
【００１９】
当業者によってさらに理解されることだが、光素子のこれらの未知の位相オフセットは、ウェハ特性のばらつき、製造誘因位相ノイズ、熱勾配又は他のプロセスによって引き起こされ得る。
【００２０】
簡潔には、本開示の複数側面は、複数素子の干渉の様々な強度を、各素子の位相を個々に掃引しながら測定することを含む。留意されることだが、ここで使用されるような干渉は、一つの光検出器を有する光学機器における複数の光信号の合計、又は多数の光検出器を有する光学的及び電気的ドメインにおける複数の光信号の合計である。当該素子により引き起こされる背景場が、各素子の位相を決定する基準として使用される。この背景場は、移相器制御信号を修正することによってランダムに割り当て又は選択することができる。個々の素子が掃引されるとき、背景場は、光フェーズドアレイ全体における多数の素子ゆえに、ほぼ一定のままである。
【００２１】
この幅広い議論が整ったので、本開示の複数側面に係るシステム、方法及び構造物のいくつかの特定の構成及び動作を以下に記載する。
【００２２】
図１は、本開示の複数側面に係るオンチップ検出器を含む例示の光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）構造物を示す模式図である。
【００２３】
同図を参照すると、光導波路パターンが形成された基板を一般に含む光構造物が示され、そのパターンは、光を受光して一アレイの移相素子に分散させるべく構成された受光端を含む。図にさらに示されるのは、移相された光を受光し、その受光の少なくとも一部分を放射するべく構成された一アレイのアンテナである。
【００２４】
当業者は、特定のアンテナ構成及び構造に応じて、アンテナが受光した移相光のすべてが必ずしも放射されるわけではないことがわかり認識する。その代わり、当該光の少なくとも一部分がアンテナを介して送られ、その後、出力光分散ネットワークの効果により、検出器素子へと向けられる。
【００２５】
動作上、及び本開示の例示的な一側面によれば、入力光分散ネットワークによって受光された光は、移相器によって移相され、アンテナ素子へと向けられる。アンテナを介して送られた移相された光の複数部分が、出力光分散ネットワークへと向けられ、それに引き続き、各移相器からの光を含む干渉信号としてオンチップ検出器へと向けられる。前述したように、かかる干渉信号は、出力光分散ネットワークが出力した光信号の合計である。
【００２６】
この時点で留意されることだが、基板上に形成される導波路パターンは一般に、上述した素子を光学的に相互接続して当該素子を含み、有利なことに、周知の製造技法すなわちＣＭＯＳを使用して基板に実装してＳｉ（又はＳｉＮ）導波路から構成することができる。
【００２７】
さらに留意されることだが、分散ネットワークが二分木分散ネットワークを含むように示されるが、これは例示目的にすぎない。
当業者に容易にわかるように、本開示に係るそのような分散ネットワークは、カスケード接続された１×Ｎスプリッタ、二分木、スター結合器、一つの１×Ｍスプリッタ、方向性結合器、空き領域、及び他の、スラブ導波路のような導波路構造物を含む周知の構造物のいずれか又は組み合わせから構成することができる。
【００２８】
本開示の複数側面によれば、透過構造物の場合、個別アンテナ素子と検出器素子との間の光路長はすべて同じ長さである。
【００２９】
さらに、等しい数の移相素子及びアンテナ素子が示されるが、これが必要というわけではない。移相器及びアンテナの正確な数は、用いられる特定の導波路相互接続に依存する。図１のような図面が、８個の移相器及びアンテナを有する例示の構造物を示すが、本開示はそれに限られず、製造技法及びアプリケーションが決定付ける実質的に任意の数の素子が可能である。したがって、任意サイズの構造物が考えられ、一つの集積半導体チップ又はフォトニック集積回路上に作られることが有利である。本開示に従って構成されるシステムは、集積電子回路及び集積フォトニック回路の双方を含むことができ、それらは適宜相互接続及び／又は集積される
【００３０】
当業者が容易に理解しわかることだが、移相素子において用いられる任意の移相器が、熱光学的、電気光学的、機械的、流体的、液晶的、非線形的、音響光学的及び応力誘起の移相器を含み得る一方、アンテナは、適宜、格子ベース設計、プラズモン放射器、金属アンテナ、ミラーファセット及び端面ファセットを含み得る。
【００３１】
最後に、検出器素子は、一般に入力として光信号を受け取り、それ応答して電気信号を出力するとの、業界周知の任意種類の一以上の個別光検出器を含み得る。
【００３２】
図２は、本開示の複数側面に係るオンチップ検出器及びタップを含む代替的な例示のＯＰＡ構造物を示す模式図である。この図面からわかるように、図示の構造物は、各移相器から移相光の少なくとも一部分を分岐する一アレイの個別タップを含む。分岐された光は、オンチップ検出器へと向けられ、干渉信号として検出される。前述のように、かかる干渉信号は、すべての移相器からの光を含む。有利なことに、図示のような光パワータップは、適宜、方向性結合器、マルチモード干渉結合器、断熱結合器又は他のデバイスによって形成することができる。
【００３３】
図３は、代替的な例示のＯＰＡ構造物を示す模式図である。このＯＰＡ構造物は、本開示の複数側面に係る多数の個別光検出器を有する出力分散ネットワークを含む。この例示の構成において、多数の光検出器は、当該多数の光検出器から一つの電気信号が出力されるように並列に電気接続され、一つの検出器素子が形成される。留意されることだが、当該多数の光検出器を当該一アレイのアンテナに光学的に接続する分散ネットワークは、一定数の１×Ｍ及び２×１構造物を含むが、当業者は、本開示がこれに限られないことがわかる。
【００３４】
またも留意されることだが、前述のように、アンテナと多数の光検出器の個々の一つとの間の個々の光路長はすべて等しい。したがって、この等しい経路長特性を与えてアンテナを光検出器に光学的に接続する任意の出力ネットワーク構造／構成物が考慮される。さらに留意されることだが、個別光検出器はそれぞれが、特定のアンテナ集合体に関連付けられ、図示の構成において、個別光検出器はそれぞれ、等しい数の個別アンテナが送る光を入力として受光する。
【００３５】
図４は、本開示の複数側面に係る出力分散ネットワーク及び多数の光検出器を含む他の代替的な例示のＯＰＡ構造物を示す模式図である。この例示の構成において、個別光検出器が、複数セットの光検出器にグループ化され、当該複数セットは並列して加算される。留意されることだが、この例示の図示構成において２つのセットが示されるが、これは例示目的にすぎず、他構成においてはこれよりも多数のセットも考慮される。しかしながら、２つのセットは、コヒーレント測定の直交検出にとって有用である。
【００３６】
この時点まで、移相素子によって出力されて干渉信号として検出される一つ以上の光検出器に送信される光の送信を一般的に含む構造物及び動作を、開示及び記載してきた。以下に記載するように、本開示に係る代替構造物は、有利なことに、透過性素子ではなく反射性素子を用いることができる。
【００３７】
図５は、本開示の複数側面に係るオンチップ検出器及び移相器とアンテナとの間に配置される反射器を含む例示のＯＰＡ構造物を示す模式図である。この図示構成において、個別移相器のそれぞれから出力される光の少なくとも一部分が反射されて当該移相器を通るように戻り、それに引き続き、干渉信号として検出器へと向けられる。反射光の一部分を検出器に向けるべく、タップ結合器を利用してよい。当業者に容易にわかることだが、かかる反射光は、それぞれの移相器を２回通過し、それに引き続き、入力分散ネットワークを介して検出器へと分散される。有利なことに、かかる構成は、光を一アレイの移相器へと分散することと反射光を検出器素子へと戻すこととの双方を行うのに一つの分散ネットワークのみを必要とする。留意されることだが、反射は適宜、導波路、共振器、ブラッグ回折格子、固定反射器、チューニング可能反射器、液晶、又は他の構造物における不連続性を含む一定数の周知の反射器／構造物のいずれかによって生成することができる。
【００３８】
当業者が理解しわかることだが、反射を生成するさらに他の態様は、ブラッグ条件を満たす波長で一般に使用される格子ベースのアンテナによる。有利なことに、かかる構成において、アンテナは反射素子として作用する。
【００３９】
図６は、本開示の複数側面に係るオンチップ検出器及びアンテナの後段に配置される反射器を含む代替的な例示の光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）構造物を示す模式図である。当業者にわかることだが、本開示の複数側面に係る構造物において様々な反射器位置を用いることができる。図示されるように、この図面における反射器素子は、アンテナの後段の光路に配置される。その結果、アンテナが送信した光は反射して戻され、アンテナを通り、移相器を通り、それに引き続き、干渉信号として検出器素子へと向けられる。
【００４０】
図７は、本開示の複数側面に係るオンチップ検出器及び分散反射器を含む例示の光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）構造物を示す模式図である。この例示の図示構成において、アンテナは、分散反射器としての役割を果たすべく構成され、有利なことに、波長依存性としてよい。
【００４１】
図８は、本開示の複数側面に係るオンチップコヒーレント／平衡検出器及び反射器を含む例示の光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）構造物を示す模式図である。先に開示した構造物と同様に、この図は、有利にはローカル発振器を含むコヒーレント検出器を含む例示的な構造物を示す。
【００４２】
図９は、本開示の複数側面に係る、アンテナの後段に配置されたオンチップコヒーレント／平衡検出器及び反射器を含む例示の光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）構造物を示す模式図である。
【００４３】
図１０は、本開示の複数側面に係るオンチップコヒーレント／平衡検出器及び分散反射器を含む例示の光フェーズドアレイ（ＯＰＡ）構造物を示す模式図である。
【００４４】
この時点で当業者が理解しわかることだが、本開示において用いられる干渉は、有利なことに、移相素子を横切った後の任意点で測定することができる。先行技術とは異なり、本開示に係るシステム、方法及び構造物は、時間がかかる反復最適化手順が必要なくかつ用いない。その代わり、制御信号の関数（「位相関数」とも称する）としての移相器の位相応答と共に、一回の所定通過における各素子の位相オフセットを直接測定する。最後に、特に優れたことに、すべてのアンテナの一回の干渉測定のみが必要とされる。すなわち、一つのピクセル検出器のみが必要とされ、したがって、近接するアンテナ又はアンテナグループの干渉を測定する多数の検出器素子が不要となる。
【００４５】
各素子の位相オフセット及び位相応答が測定された後、光フェーズドアレイは、特定のアプリケーションに決定付けられるビーム操舵又はビームフォーミングを行うための任意の素子位相分布に対して容易に設定され得る。最後に、位相対制御信号の関係に加え、本開示に係る較正により、当該干渉と、当該干渉の予想される正弦波形状とを比較することによる強度変化対制御信号の抽出が許与される。
【００４６】
本開示の方法をさらに完全に理解するべく、振幅ａｎ（実数値）と、未知ではあるが所望の位相オフセットｂｎを有するＮ個の光素子の干渉の光パワー測定値Ｓを考える。ｂｎの一部分は、不完全性ゆえにデバイス固有であるが、０°ではない遠距離場測定値のような、干渉測定技法ゆえの寄与分も有し得る。
【００４７】
一般性を目的として、素子のチューニング可能位相を、任意の初期の既知電圧（又は制御信号）ｖｎに設定することができ、その結果得られる位相θｎ（ｖｎ）は未知となり得る。初期の測定値Ｓは以下のとおりである。
【数１】
2021517656.tif 000002
ここで、ｉは虚数単位、Ｃチルダはこの測定の初期複素体値である。素子ｍの電圧ｖｍが変化する場合、その結果得られるパワー測定値Ｓｍ（ｖｍ）は以下のように記述できる。
【数２】
2021517656.tif 000003
【００４８】
すなわち、Ｓｍ（ｖｍ）は、何らかの基準信号Ｃｍに対する素子ｍの干渉測定値とみなすことができる。大きなＮに対しては、ＣチルダはほぼＣｍに等しくなる。すなわち、干渉から素子ｍを取り出すことにより、測定の初期複素数体値の大きさ又は位相が大きく変化することはないので、ｍが変化しても、各アンテナのコヒーレント測定は、同様の基準信号に対して行われる。
【００４９】
図１１は、本開示の複数側面に係る６４個の素子による複素数体値の生成を示すプロットである。詳しくは、図１１は、６４個の素子の合計から生成された後のＣチルダの値を示す。素子が多数になると、Ｃチルダが大きくなる可能性があり、各素子の個別の寄与が小さくなる。
【００５０】
近似Ｃｍ≒Ｃチルダを使用すると、Ｓｍ（ｖｍ）は以下のように単純化できる。
【数３】
2021517656.tif 000004
ここで、∠Ｃチルダは、複素数Ｃチルダの角度である。
【００５１】
ここでわかることは、Ｓｍ（ｖｍ）が、光素子の初期の所望位相オフセットｂｍと、すべての素子にわたる不変の位相値∠Ｃチルダとの差となる位相オフセットを有する正弦曲線を生成するということである。さらに、電圧の関数としての素子の位相応答θｍ（ｖｍ）もまた、直接測定される。θｍ（ｖｍ）が複素数である（利得／減衰を有する）場合、これもまた本方法によって測定することができる。素子間の相対的な振幅ａｍもまた比較される。
【００５２】
したがって、この正弦曲線を実験的にフィッティングすることにより、相対的な位相オフセット、相対的な振幅、及び各素子の位相関数が生成される。フィッティングは、正確な結果をもたらすべく、システムのヒューリスティックな知識によって行うことができる。さらに、移相器はまた、（ＰＮ接合部における漏洩電流のような）導入光パワーの測定も許容し得る。この知識をこの手順と併せて使用することにより、複素数値θｍ（ｖｍ）の正確なフィッティングが許与される。
【００５３】
各素子１〜Ｎに対して一回の通過及び計測Ｓｍ（ｖｍ）を行うことにより、各光素子の初期位相オフセットｂｍ（定数（−∠Ｃチルダ）を伴う）と、電圧の関数としてのチューニング可能位相関数θｍ（ｖｍ）とがわかる。この電圧が（ｂｍ−∠Ｃチルダ）の反転すなわち
【数４】
2021517656.tif 000005
に等しくなるように設定されると、干渉の測定値が最大となり較正が完了する。
【００５４】
わかることだが、本開示に係るこの干渉測定は一般的であり、ここに図示及び記載されるものを含む多数のフェーズドアレイ構成において達成することができる。干渉測定の一つの重要な側面は、干渉測定が、光素子の所望の位相分布に関連するということである。すなわち、この干渉測定の最大値を生成することにより、所望の位相分布が生成され、又は既知の位相変換を介して所望の位相分布が導かれる。各光素子に対して移相器の応答θｍ（ｖｍ）が測定されるので、初期の所望位相分布から他の位相分布へのビーム操舵又はビームフォーミングを、較正後に容易に達成することができる。また、ここでの数学的議論は個別素子それぞれの位相制御を目的とするが、この手順はまた、素子グループを制御する移相器についても行えることに留意することも重要である。
【００５５】
ここで、波長λ＝１．５５μｍにおける１次元２μｍピッチの６４素子光フェーズドアレイの一つの例示を与える。素子の位相オフセットは、０〜２πの範囲内の一様ランダム位相分布に設定される。得られた遠距離場が図１２（Ａ）に示される。
【００５６】
簡潔にするべく、干渉測定値は、０°（図１２（Ｂ））にある遠距離場の中心点とする。第１の３個の移相器を掃引するこの時点でのパワーが図１３（Ａ）に示される。近似的に（ｂｍ−∠Ｃチルダ）に等しい位相オフセットを有する正弦曲線が生成される。図１３（Ｂ）は、６４個の素子を掃引したときに生成された制限曲線のすべてを一つのプロットに示す。
【００５７】
図１３（Ｂ）に示される正弦曲線は、理論位相オフセット（ｂｍ−∠Ｃチルダ）を有する。移相器を、フィッティングされたオフセット値の反転に設定すると、遠距離場は、図１４（Ａ）に示されるものへと改変される。光フェーズドアレイはここで、０°でのパワーとなる干渉測定値を最大限にするべく較正される。
【００５８】
図１４（Ｂ）は、０°での拡大図を示し、この位置での理論最大遠距離場をプロットする。較正された光フェーズドアレイは、理論最大値と比べて損失が０．０５ｄＢ未満である。
【００５９】
図１５に例示されるフロー図を参照すると、一般化された較正手順がさらに理解される。同図に示されるように、光フェーズドアレイを含む光構造物にとって、個別移相器のそれぞれに対し、位相シフト又は移相量は、当該構造物に対する干渉信号を検出している間、所定のパターンをとるように変化する。このような検出から、干渉信号に対する全体的な位相オフセットが決定される。留意されることだが、本開示に係るそのような方法／手順は、有利なことに、個別移相器の代わりに移相器のグループが変化するように修正され得る。かかる動作により、移相器は、異なる周波数で変化するので、有利なことに、干渉信号における各周波数成分の位相オフセットを決定することができる。
【００６０】
この時点で、いくつかの特定例を使用して本開示が提示されてきたが、当業者には、本発明の教示がそれに限定されるわけではないことが認識される。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。
【図１】
2021517656.tif 000006
【図２】
2021517656.tif 000007
【図３】
2021517656.tif 000008
【図４】
2021517656.tif 000009
【図５】
2021517656.tif 000010
【図６】
2021517656.tif 000011
【図７】
2021517656.tif 000012
【図８】
2021517656.tif 000013
【図９】
2021517656.tif 000014
【図１０】
2021517656.tif 000015
【図１１】
2021517656.tif 000016
【図１２（Ａ）】
2021517656.tif 000017
【図１２（Ｂ）】
2021517656.tif 000018
【図１３（Ａ）】
2021517656.tif 000019
【図１３（Ｂ）】
2021517656.tif 000020
【図１４（Ａ）】
2021517656.tif 000021
【図１４（Ｂ）】
2021517656.tif 000022
【図１５】
2021517656.tif 000023
【手続補正書】
【提出日】令和3年1月15日(2021.1.15)
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光構造物であって、
一の基板を含み、
前記基板には、
一アレイの複数の光移相器と、
前記一アレイの複数の光移相器と光通信する一アレイの複数の光アンテナと、
前記一アレイの複数の光アンテナと光通信する一の出力光分散ネットワークと、
前記出力光分散ネットワークと光通信する一の検出器素子と
が形成され、
前記光構造物は、前記複数の光移相器を横切る光が移相されるように構成され、
前記移相された光は、前記複数の光アンテナへと向けられ、少なくとも一部分が前記複数の光アンテナを透過し、
前記複数の移相器のすべてからの前記透過した光は、前記出力光分散ネットワークへと向けられ、それに引き続き前記検出器素子へと向けられ、
前記検出器素子は、前記透過した光を一の干渉信号として検出し、
前記干渉信号は、前記一アレイの複数の光移相器における前記移相器のすべてからの光を含み、前記複数の光アンテナと前記検出器素子との間の個々の光路の長さがすべて等しい、光構造物。
【請求項２】
前記検出器素子は複数の個別検出器を含む、請求項１の光構造物。
【請求項３】
前記複数の個別検出器は並列に電気接続される、請求項２の光構造物。
【請求項４】
前記複数の個別検出器は、多数検出器の複数セットに配列され、
各セットは同じ数の個別検出器を含み、
各セットは並列に電気接続される、請求項２の光構造物。
【請求項５】
並列に電気接続される多数検出器の２つのセットが存在する、請求項４の光構造物。
【請求項６】
前記複数の個別検出器の各一つが、前記一アレイの複数の光アンテナの所定数を通るように透過した光を受光する、請求項２の光構造物。
【請求項７】
前記複数の個別検出器の個々の一つに光を送信する前記一アレイの複数の光アンテナの前記所定数は、前記複数の個別検出器のすべてに対して同じである、請求項６の光構造物。
【請求項８】
前記基板に形成されて前記一アレイの複数の光移相器と光通信する入力分散ネットワークをさらに含み、
前記入力分散ネットワークは、一のソースからの光を受光して前記受光した光を前記一アレイの複数の光移相器に分散させるべく構成される、請求項１の光構造物。
【請求項９】
前記光構造物に対して決定される位相オフセットは、広帯域の波長にわたって有効である、請求項１の光構造物。
【請求項１０】
光構造物であって、
一の基板を含み、
前記基板には、
一の入力光分散ネットワークと、
前記入力光分散ネットワークと光通信する一アレイの複数の光移相器と、
前記一アレイの複数の光移相器と光通信する一アレイの複数の光アンテナと、
前記一アレイの複数の光移相器と光通信する一アレイの複数の反射器素子と、
一の光路において前記一アレイの複数の光移相器の前段に配置されて前記一アレイの複数の光移相器と通信する一の検出器素子と
が形成され、
前記光構造物は、前記複数の光移相器を横切る光が移相されるように構成され、
前記移相された光は前記一アレイの複数の反射器素子の方に向けられ、
前記移相された光の少なくとも一部分が、前記反射器素子の少なくとも一つから前記複数の移相器を通って戻るように反射されて実質的に干渉信号として前記検出器素子へと向けられ、
前記検出器素子は前記干渉信号を検出する、光構造物。
【請求項１１】
前記干渉信号は、前記一アレイの複数の移相器における前記複数の移相器すべてによって移相された光を含む、請求項１０に記載の光構造物。
【請求項１２】
結合された前記干渉信号になった前記光の複数部分が、前記複数の移相器の対応する一つを、一回を超えて横切る、請求項１０に記載の光構造物。
【請求項１３】
前記検出器素子は複数の個別検出器を含む、請求項１０の光構造物。
【請求項１４】
前記複数の検出器の各一つが、前記一アレイの複数の光反射器の所定数からの光を受光する、請求項１３に記載の光構造物。
【請求項１５】
前記検出器素子は、入力ローカル発振器を有するコヒーレント検出器である、請求項１０に記載の光構造物。
【請求項１６】
前記コヒーレント検出器は平衡検出器又はＩＱ検出器である、請求項１５に記載の光構造物。
【請求項１７】
前記一アレイの複数の光反射器は、前記一アレイの複数の光移相器と前記一アレイの複数の光アンテナとの間の光路に配置される、請求項１０に記載の光構造物。
【請求項１８】
前記一アレイの複数の光反射器は、光路において前記一アレイの複数の光アンテナの後段に配置される、請求項１０に記載の光構造物。
【請求項１９】
前記一アレイの光反射器は、前記一アレイの複数の光アンテナのそれぞれに、波長独立の分散反射器として形成される、請求項１０に記載の光構造物。
【請求項２０】
前記一アレイの複数の光反射器は、前記一アレイの複数の光アンテナからなり、
前記光アンテナの個別アンテナはそれぞれが、波長独立のブラッグ条件を示す、請求項１０に記載の光構造物。
【請求項２１】
光構造物を較正する方法であって、
前記光構造物は、一アレイの複数の放射アンテナ素子と光通信する一アレイの複数の移相素子が形成された基板を含み、
前記方法は、
前記移相素子を通る個別光信号を検出することであって、前記個別光信号は移相されることと、
前記移相された光信号を前記一アレイの複数の放射アンテナへと向けることと、
前記一アレイの移相素子の各個別の一つに対し、
前記個別の移相素子が与える移相量を所定パターンにわたって変化させる一方で、
前記移相がされた光信号がもたらす干渉信号を検出することであって、前記干渉信号は前記複数の移相素子すべてからの光を含むことと、
前記検出された干渉信号の少なくとも一つに対する前記移相素子それぞれの全体的な位相オフセットを決定することと
を含む、方法。
【請求項２２】
前記一アレイにおける個別の移相素子の各一つに対する移相対電圧関係を決定することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記一アレイにおける個別の移相素子の各一つに対する減衰対電圧関係を決定することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
一の個別の移相素子に対して移相量を変化させている間、他の位相素子はすべてが有効というわけではない、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
異なる周波数における前記移相素子のいくつかに対する移相量を変化させることと、
前記干渉信号における各周波数成分の位相オフセットを決定することと
をさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【国際調査報告】
2021517656.tif 000024