(57)【要約】略平面フォトニックデバイスとともに構築されたゼロ光路長差光フェーズドアレイは、恒星等のインコヒーレント光源への方向を決定する。フェーズドアレイは、３次元恒星追跡器をより小型かつ軽量の略２次元システムに取り替えることができる。ゼロ光路長差光フェーズドアレイは、随意に、干渉計に接続されることができる。光源によって駆動されると、ゼロ光路長差光フェーズドアレイは、光学投影器として使用されることができる。一実施形態において、光フェーズドアレイは、ウエハと、ウエハに対して所定のアレイにおいて配置されている第１の複数の光学結合器と、ウエハに対して所定の場所において配置されている第１の光学ポートと、ウエハに対して配置されている第１の複数の光学導波管とを備えている。
2018517886.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
約１００ｎｍ〜約１ｍｍの設計波長および設計帯域幅を有する光フェーズドアレイであって、前記光フェーズドアレイは、
ウエハと、
前記ウエハに対して所定のアレイにおいて配置されている第１の複数の光学結合器と、
前記ウエハに対して所定の場所において配置されている第１の光学ポートと、
前記ウエハに対して配置されている第１の複数の光学導波管と
を備え、
前記第１の複数の光学導波管は、全ての第１の光路の光学長が、約０．１％を上回る帯域幅における１コヒーレンス長＋前記第１の複数の光学結合器の２つの最大離間光学結合器間の間隔内において等しいように、１つの第１の光学結合器につき１つの第１の光路で、前記第１の複数の光学結合器をそれぞれの第１の光路を介して前記第１のポートに光学的に接続している、光フェーズドアレイ。
【請求項２】
前記第１の複数の光学導波管は、前記第１の光路が、建設的位相干渉を波面傾斜の所定の方向に偏らせるような様式においてそれぞれの徐々に増大した光路を含むように構成されている、請求項１に記載の光フェーズドアレイ。
【請求項３】
全ての前記第１の光路の光学長は、前記設計波長の１未満の所定の割合内において等しい、請求項１に記載の光フェーズドアレイ。
【請求項４】
全ての前記第１の光路の光学長は、約０．１％を上回る帯域幅における１コヒーレンス長内において等しい、請求項１に記載の光フェーズドアレイ。
【請求項５】
前記基板は、シリコンウエハを備えている、請求項１に記載の光フェーズドアレイ。
【請求項６】
前記第１の複数の光学結合器のうちの全ての光学結合器は、同一平面にある、請求項１に記載の光フェーズドアレイ。
【請求項７】
前記第１の複数の光学導波管は、前記第１の複数の光学結合器から前記第１のポートまで延びている所定の第１のツリーを形成する、請求項１に記載の光フェーズドアレイ。
【請求項８】
前記第１のツリーは、Ｈ−ツリーを備えている、請求項７に記載の光フェーズドアレイ。
【請求項９】
前記第１の複数の光学導波管の各光学導波管は、前記基板の厚さ内のそれぞれのボアによって画定される、請求項１に記載の光フェーズドアレイ。
【請求項１０】
前記第１の複数の光学導波管の各光学導波管は、前記基板の厚さ内に配置されているそれぞれの固体光学媒体を備えている、請求項１に記載の光フェーズドアレイ。
【請求項１１】
前記第１の複数の光学導波管の各光学導波管は、前記ウエハの表面上に配置されている、請求項１に記載の光フェーズドアレイ。
【請求項１２】
第１の複数の動的に調整可能な光学遅延ラインをさらに備え、前記複数の動的に調整可能な光学遅延ラインの各動的に調整可能な光学遅延ラインは、前記第１の光路のうちのそれぞれの光路において配置されている、請求項１に記載の光フェーズドアレイ。
【請求項１３】
前記複数の動的に調整可能な光学遅延ラインの各動的に調整可能な光学遅延ラインは、熱的に位相調整可能な光学遅延ラインを備えている、請求項１２に記載の光フェーズドアレイ。
【請求項１４】
前記ウエハに対して所定のアレイにおいて配置されている第２の複数の光学結合器と、
前記ウエハに対して所定の場所において配置されている第２の光学ポートと、
前記ウエハに対して配置されている第２の複数の光学導波管と
をさらに備え、
前記第２の複数の光学導波管は、全ての前記第１の光路および第２の光路の光学長が、約０．１％を上回る帯域幅における１コヒーレンス長＋前記第２の複数の光学結合器の２つの最大離間光学結合器間の間隔内において等しくなるように、１つの第２の光学結合器につき１つの第２の光路で、それぞれの第２の光路を介して前記第２の複数の光学結合器を前記第２のポートに光学的に接続している、請求項１に記載の光フェーズドアレイ。
【請求項１５】
前記ウエハに対して所定のアレイにおいて配置されている第３の複数の光学結合器と、
前記ウエハに対して所定の場所において配置されている第３の光学ポートと、
前記ウエハに対して配置されている第３の複数の光学導波管と
をさらに備え、
前記第３の複数の光学導波管は、全ての前記第１の光路、前記第２の光路、および第３の光路の光学長が、約０．１％を上回る帯域幅における１コヒーレンス長＋前記第３の複数の光学結合器の２つの最大離間光学結合器間の間隔内において等しくなるように、１つの第３の光学結合器につき１つの第３の光路で、それぞれの第３の光路を介して前記第３の複数の光学結合器を前記第３のポートに光学的に接続している、請求項１４に記載の光フェーズドアレイ。
【請求項１６】
光学変換器の所定のアレイにおいて配置されている複数の光学変換器をさらに備え、
前記第１、第２、および第３の光学ポートは、前記光学変換器のアレイに対して所定のアレイにおいて配置され、共通光学伝搬領域を介して、前記光学変換器のアレイに光学的に接続されている、請求項１５に記載の光フェーズドアレイ。
【請求項１７】
前記複数の光学変換器は、複数の光学センサを備え、前記光フェーズドアレイは、プロセッサをさらに備え、前記プロセッサは、前記複数の光学センサに接続され、前記複数の光学センサから前記複数の光学センサによって受け取られた光の強度を示す信号を受信し、前記プロセッサは、前記信号を分析し、前記光フェーズドアレイの遠視野からのインコヒーレント光の伝搬の前記ウエハに対する軸を計算するプロセスを実行する、請求項１６に記載の光フェーズドアレイ。
【請求項１８】
前記第１、第２、および第３の光学ポートは、非冗長配列に従って間隔を置かれている、請求項１７に記載の光フェーズドアレイ。
【請求項１９】
複数のマイクロレンズをさらに備え、前記複数のマイクロレンズの各マイクロレンズは、前記第１、第２、および第３のうちの１つの複数の光学結合器のうちのそれぞれの光学結合器に近接して配置されている、請求項１７に記載の光フェーズドアレイ。
【請求項２０】
前記第１、第２、および第３の複数の光学導波管は、前記ウエハの第１の層内に配置され、
前記共通光学伝搬領域は、前記共通光学伝搬領域が、前記第１、第２、および第３の複数の光学導波管の下に光学的に折り畳まれるように、前記第１の層と平行し、前記第１の層から間隔を置かれている、前記ウエハの第２の層内に配置されている、請求項１６に記載の光フェーズドアレイ。
【請求項２１】
電気的に制御可能な光学ビーム操向器をさらに備え、前記光学ビーム操向器は、前記第１の複数の光学結合器の前記第１の複数の光学導波管から光学的に別の側に配置されている、請求項１に記載の光フェーズドアレイ。
【請求項２２】
前記光学ビーム操向器は、複数の層を備え、
前記光学ビーム操向器の各層は、それぞれの第１の屈折率と、前記設計波長において前記層の第１の屈折率と異なるそれぞれの第２の屈折率とを有し、
各層の第２の屈折率は、前記設計波長において互いの層の第２の屈折率と異なり、
前記光学ビーム操向器の各層は、前記層の第１の屈折率と前記層の第２の屈折率との間で独立して電気的に切り替え可能である、請求項２１に記載の光フェーズドアレイ。
【請求項２３】
前記光学ビーム操向器の各層は、複数のナノアンテナを備え、
各ナノアンテナは、第１のモードでは、所与の層の全てのアンテナ要素の電気長が等しく、第２のモードでは、前記所与の層のアンテナ要素の前記電気長が前記所与の層の厚さに沿って単調に増加するように、第１のモードおよび第２のモードを有する電子スイッチを介して互いに電気的に接続された２つのアンテナサブ要素を有する電気伝導性アンテナ要素を備えている、請求項２２に記載の光フェーズドアレイ。
【請求項２４】
前記第１の光学ポートに光学的に結合されるインコヒーレント光源と、
第１の複数の動的に調整可能な光学遅延ラインであって、各動的に調整可能な光学遅延ラインは、前記第１の光路のうちのそれぞれの光路において配置されている、第１の複数の動的に調整可能な光学遅延ラインと、
前記インコヒーレント光源および前記第１の複数の動的に調整可能な光学遅延ラインに接続されているプロセッサと
をさらに備え、
前記プロセッサは、前記インコヒーレント光源の出力を制御することと、前記第１の複数の動的に調整可能な光学遅延ラインの各動的に調整可能な光学遅延ラインによって導入されるそれぞれの遅延量を制御することとを行い、それによって、前記ウエハに対して、前記第１の複数の光学結合器から前記光フェーズドアレイの遠視野の中へのインコヒーレント光の伝搬の放射パターンを制御する、請求項１に記載の光フェーズドアレイ。
【請求項２５】
インコヒーレント光源への方向を確認する方法であって、前記方法は、
第１の複数の光学結合器によって、前記インコヒーレント光源から光を受け取ることと、
全ての第１の複数の光路の光学長が、約０．１％を上回る帯域幅における１コヒーレンス長＋前記第１の複数の光学結合器の２つの最大離間光学結合器間の間隔内において等しくなるように、１つの光学結合器について１つの光路で、前記第１の複数の光学結合器によって受け取られた光を前記第１の複数の光路に沿って第１の複数の光学導波管を通して第１の光学ポートまで誘導することと、
前記第１の光学ポートによって、光学センサに向かって前記光を放出することと、
第１の複数の動的に調整可能な光学遅延ラインを自動的に調節することであって、前記第１の複数の動的に調整可能な光学遅延ラインの各動的に調整可能な光学遅延ラインは、前記第１の複数の光路のうちのそれぞれの光路において配置され、それによって、前記第１の複数の光学結合器の感度を前記光に操向する、ことと、
前記操向することに関連して、前記第１の光学センサによって、前記光の強度を感知することと、
前記光の強度および前記操向することに基づいて、前記インコヒーレント光源への方向を自動的に計算することと
を含む、方法。
【請求項２６】
第２および第３の複数の光学結合器によって、前記インコヒーレント光源から光を受け取ることと、
全ての前記第１の複数の光路、第２の複数の光路、および第３の複数の光路の光学長が、約０．１％を上回る帯域幅における１コヒーレンス長＋前記第１の複数の光学結合器、第２の複数の光学結合器、および第３の複数の光学結合器の２つの最大離間光学結合器間の間隔内において等しくなるように、１つの光学結合器について１つの光路で、前記第２および第３の複数の光学結合器によって受け取られた光をそれぞれの第２および第３の複数の光路に沿ってそれぞれの第２および第３の複数の光学導波管を通してそれぞれの第２および第３の光学ポートまで誘導することと、
前記第２および第３の光学ポートによって、前記光学センサに向かって前記光を放出することであって、前記第１、第２、および第３の光学ポートによって前記光を放出することは、前記光を共通光学伝搬領域の中に放出することを含み、前記光学センサは、光学センサのアレイを備えている、ことと、
第２および第３の複数の動的に調整可能な光学遅延ラインを自動的に調節することであって、前記第２および第３の複数の動的に調整可能な光学遅延ラインの各動的に調整可能な光学遅延ラインは、それぞれの複数の光路において配置され、それによって、前記第２および第３の複数の光学結合器の感度を前記光に操向する、ことと、
前記光を前記第１、第２、および第３の光学ポートから前記共通光学伝搬領域を通して前記光学センサのアレイまで伝搬することと、
前記それぞれの操向することに関連して、前記光のそれぞれの強度を前記光学センサのアレイによって感知することと
をさらに含み、
前記インコヒーレント光源への方向を自動的に計算することは、前記光のそれぞれの強度および前記それぞれの操向することに基づいて、前記インコヒーレント光源への方向を自動的に計算することを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記光が前記第１、第２、および第３の複数の光学結合器に衝突することに先立って、複数の層を備えている光学ビーム操向器によって、前記インコヒーレント光源からの光を操向することをさらに含み、
前記光学ビーム操向器の各層は、第１のモードでは、それぞれの第１の屈折率を有し、第２のモードでは、設計波長において前記層の第１の屈折率と異なるそれぞれの第２の屈折率を有し、
各層の第２の屈折率は、前記設計波長において互いの層の第２の屈折率と異なり、
前記光学ビーム操向器の各層は、前記層の第１の屈折率と前記層の第２の屈折率との間で独立して電気的に切り替え可能であり、
前記インコヒーレント光源への方向を自動的に計算することは、前記光のそれぞれの強度、前記それぞれの操向すること、および前記層のそれぞれのモードに基づいて、前記インコヒーレント光源への方向を自動的に計算することを含む、請求項２６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の引用）
本願は、米国仮特許出願第６２／１２０，４５９号（２０１５年２月２５日出願、名称「Ｚｅｒｏ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐａｔｈ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  （ＺＯＰＤ）  Ｐｈａｓｅｄ  Ａｒｒａｙ」）の利益を主張し、上記出願の全内容は、あらゆる目的のために参照により本明細書に引用される。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、干渉計に関し、より具体的には、光導波管によって光学検波器に結合されるレセプターの操向可能フェーズドアレイを伴う干渉計に関する。
【背景技術】
【０００３】
大部分の人工衛星、宇宙船、ならびに航空機、船舶、および地上用乗り物（集合的に、本明細書では乗り物と称される）等の他の自走デバイスは、その使命を遂行するために、その場所および／または姿勢についての情報を要求する。この情報は、慣性航法システム（ＩＮＳ）、全地球測位システム（ＧＰＳ）、地上ベースのレーダ追跡局、および／または搭載式恒星追跡器等の１つ以上の源から得られ得る。
【０００４】
恒星追跡器は、乗り物から視認されるような１つ以上の恒星への方角を測定する、光学デバイスである。恒星追跡器は、典型的には、明るい航行援助となる恒星を列挙する、恒星表と、プロセッサが、恒星のうちのいくつかまでの方角を与えられると、空間内の乗り物の場所を計算するために十分である、空中のそれらの場所についての情報とを含む。従来の恒星追跡器は、恒星の画像を光電セル上に投影するレンズ、または１つ以上の恒星の画像を感光センサアレイ（デジタルカメラ）上に投影するレンズを含む。
【０００５】
あるタイプの恒星追跡器は、「ストラップダウン型」であり、その視野角がその乗り物に対して固定されることを意味する。別のタイプの恒星追跡器は、航行援助となる恒星が見えることが予期される方向等に機械的に照準されることができる。乗り物に対する光電セルまたはセンサアレイからのデータ、恒星表、および恒星追跡器の視野角についての情報を使用して、恒星追跡器内のプロセッサは、空間内の乗り物の位置を計算する。
【０００６】
ストラップダウン型恒星追跡器は、機械的に照準可能な恒星追跡器よりも機械的に単純である。しかしながら、ストラップダウン型恒星追跡器の固定視野角は、使用され得る航行援助となる恒星の数を限定する。機械的に照準可能な恒星追跡器は、多数の航行援助となる恒星を使用することができる。しかしながら、従来技術の恒星追跡器をその乗り物に対して要求される精度を伴って照準することは、実質的問題を呈する。いずれの場合も、太陽または月からの反射等の迷光が、光電セルまたはセンサアレイに到達することを防止することは、特に、航行援助となる着目恒星が、見掛け上、これらの非常に明るい物体のうちの１つに近接しているとき、困難である。
【０００７】
従来のストラップダウン型および機械的に照準可能な恒星追跡器は、大型かつ重量があり、大量のエネルギーを消費する。例えば、大型のレンズは、巨大であり、レンズとセンサとの間のその焦点距離は、恒星追跡器によって占有される体積に影響する。より小型かつ軽量の恒星追跡器が、望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の実施形態は、光フェーズドアレイを提供する。光フェーズドアレイは、ある設計波長を有する。設計波長は、約１００ｎｍ〜約１ｍｍである。光フェーズドアレイはまた、ある設計帯域幅を有する。光フェーズドアレイは、ウエハを含む。第１の複数の光学結合器は、ウエハに対して所定のアレイにおいて配置されている。第１の光学ポートは、ウエハに対して所定の場所において配置されている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の複数の光学導波管は、ウエハに対して配置される。第１の複数の光学導波管は、それぞれの第１の光路を介して、第１の複数の光学結合器を第１のポートに光学的に接続する。第１の光学結合器あたり第１の光路が１つずつ存在する。全ての第１の光路の光学長は、ある基準内において等しい。基準は、約０．１％を上回る帯域幅における１コヒーレンス長＋第１の複数の光学結合器の２つの最大離間光学結合器間の間隔であり得る。
【００１０】
第１の複数の光学導波管は、第１の光路が、それぞれの徐々に増大した光路を含むように構成され得る。徐々に増大した光路は、建設的位相干渉を波面傾斜の所定の方向に偏らせる。
【００１１】
全ての第１の光路の光学長は、設計波長の所定の割合内で等しくあり得る。設計波長の所定の割合は、１未満であり得る。設計波長の所定の割合は、約１／１０であり得る。
【００１２】
全ての第１の光路の光学長は、約０．１％を上回る帯域幅における１コヒーレンス長内において等しくあり得る。
【００１３】
基板は、シリコンウエハを含み得る。
【００１４】
第１の複数の光学結合器の全ての光学結合器は、同一平面にあり得る。
【００１５】
第１の複数の光学導波管は、所定の第１のツリーを形成し得る。第１のツリーは、第１の複数の光学結合器から第１のポートまで延び得る。第１のツリーは、Ｈ−ツリーまたはＸ−ツリーであり得る。
【００１６】
第１の複数の光学導波管の各光学導波管は、基板の厚さ内のそれぞれのボアによって画定され得る。
【００１７】
第１の複数の光学導波管の各光学導波管は、基板の厚さ内に配置されているそれぞれの固体光学媒体を含み得る。
【００１８】
第１の複数の光学導波管の各光学導波管は、ウエハの表面上に配置されている、項目１に記載の光フェーズドアレイ。
【００１９】
光フェーズドアレイはまた、第１の複数の動的に調整可能な光学遅延ラインを含み得る。複数の動的に調整可能な光学遅延ラインの各動的に調整可能な光学遅延ラインは、第１の光路のうちのそれぞれの光路において配置され得る。
【００２０】
複数の動的に調整可能な光学遅延ラインの各動的に調整可能な光学遅延ラインは、熱的に位相調整可能な光学遅延ラインを含み得る。
【００２１】
光フェーズドアレイはまた、ウエハに対して所定のアレイにおいて配置されている第２の複数の光学結合器を含み得る。第２の光学ポートは、ウエハに対して所定の場所内に配置され得る。第２の複数の光学導波管は、ウエハに対して配置され得る。第２の複数の光学導波管は、それぞれの第２の光路を介して、第２の複数の光学結合器を第２のポートに光学的に接続し得る。第２の光学結合器あたり第２の光路が１つずつ存在し得る。全ての第１および第２の光路の光学長は、ある基準内で等しくあり得る。基準は、約０．１％を上回る帯域幅における１コヒーレンス長＋第２の複数の光学結合器の２つの最大離間光学結合器間の間隔であり得る。
【００２２】
光フェーズドアレイはまた、ウエハに対して所定のアレイにおいて配置されている第３の複数の光学結合器を含み得る。第３の光学ポートは、ウエハに対して所定の場所内に配置され得る。第３の複数の光学導波管は、ウエハに対して配置され得る。第３の複数の光学導波管は、それぞれの第３の光路を介して、第３の複数の光学結合器を第３のポートに光学的に接続し得る。第３の光学結合器あたり第３の光路が１つずつ存在し得る。全ての第１、第２、および第３の光路の光学長は、ある基準内で等しい。基準は、約０．１％を上回る帯域幅における１コヒーレンス長＋第３の複数の光学結合器の２つの最大離間光学結合器間の間隔であり得る。
【００２３】
光フェーズドアレイはまた、光学変換器の所定のアレイにおいて配置されている複数の光学変換器を含み得る。第１、第２、および第３の光学ポートは、光学変換器のアレイに対して所定のアレイにおいて配置され得る。第１、第２、および第３の光学ポートは、共通光学伝搬領域を介して、光学変換器のアレイに光学的に接続され得る。
【００２４】
複数の光学変換器は、複数の光学センサを含み得る。光フェーズドアレイはまた、プロセッサを含み得る。プロセッサは、複数の光学センサに接続され、信号を複数の光学センサから受信し得る。信号は、複数の光学センサによって受け取られた光の強度を示し得る。プロセッサは、信号を分析し、光フェーズドアレイの遠視野からのインコヒーレント光の伝搬の軸を計算するプロセスを実行し得る。軸は、ウエハに対し得る。
【００２５】
第１、第２、および第３の光学ポートは、非冗長配列に従って間隔を置かれ得る。
【００２６】
第１、第２、および第３の光学ポートは、ウエハの表面上に配置され得る。
【００２７】
光フェーズドアレイはまた、複数のマイクロレンズを含み得る。複数のマイクロレンズの各マイクロレンズは、第１、第２、および第３のうちの１つの複数の光学結合器のうちのそれぞれの光学結合器に近接して配置され得る。
【００２８】
第１、第２、および第３の複数の光学導波管は、ウエハの第１の層内に配置され得る。共通光学伝搬領域は、ウエハの第２の層内に配置され得る。ウエハの第２の層は、第１の層と平行し、そこから間隔を置かれ得る。共通光学伝搬領域は、したがって、第１、第２、および第３の複数の光学導波管の下に光学的に折り畳まれ得る。
【００２９】
光フェーズドアレイはまた、電気的に制御可能な光学ビーム操向器を含み得る。電気的に制御可能な光学ビーム操向器は、第１の複数の光学結合器と別の第１の複数の光学導波管側に光学的に配置され得る。
【００３０】
光学ビーム操向器は、複数の層を含み得る。光学ビーム操向器の各層は、それぞれの第１の屈折率およびそれぞれの第２の屈折率を有し得る。各層の第２の屈折率は、設計波長において、層の第１の屈折率と異なり得る。各層の第２の屈折率は、設計波長において互いの層の第２の屈折率と異なり得る。光学ビーム操向器の各層は、層の第１の屈折率と層の第２の屈折率との間で独立して電気的に切り替え可能であり得る。
【００３１】
光学ビーム操向器の各層は、複数のナノアンテナを含み得る。各ナノアンテナは、電気伝導性アンテナ要素を含み得る。アンテナ要素は、２つのアンテナサブ要素を有し得る。２つのアンテナサブ要素は、電子スイッチを介して、互いに電気的に接続され得る。スイッチは、第１のモードおよび第２のモードを有し得る。第１のモードでは、所与の層の全てのアンテナ要素の電気長は、等しい。しかしながら、第２のモードでは、所与の層のアンテナ要素の電気長は、所与の層の厚さに沿って単調に増加する。
【００３２】
所与の層のサブ要素の電気長は、所与の層の厚さに沿って単調に増加し得る。第１のモードでは、各要素の２つのサブ要素は、互いから電気的に隔離される。したがって、第１のモードでは、所与の層の全てのアンテナ要素の電気長は、等しい。しかしながら、第２のモードでは、各要素の２つのサブ要素は、互いに電気的に接続される。したがって、第２のモードでは、所与の層のアンテナ要素の電気長は、所与の層の厚さに沿って単調に増加する。
【００３３】
光フェーズドアレイはまた、インコヒーレント光源を含み得る。インコヒーレント光源は、第１の光学ポートに光学的に結合され得る。光フェーズドアレイはまた、第１の複数の動的に調整可能な光学遅延ラインを含み得る。第１の複数の動的に調整可能な光学遅延ラインの各動的に調整可能な光学遅延ラインは、第１の光路のうちのそれぞれの光路において配置され得る。プロセッサは、インコヒーレント光源および第１の複数の動的に調整可能な光学遅延ラインに接続され得る。プロセッサは、インコヒーレント光源の出力を制御し得る。プロセッサは、第１の複数の動的に調整可能な光学遅延ラインの各動的に調整可能な光学遅延ラインによって導入されるそれぞれの量の遅延を制御し得る。したがって、プロセッサは、ウエハに対して、第１の複数の光学結合器から光フェーズドアレイの遠視野の中へのインコヒーレント光の伝搬の放射パターンを制御し得る。
【００３４】
本発明の別の実施形態は、インコヒーレント光源への方向を確認する方法を提供する。方法によると、光が、インコヒーレント光源から第１の複数の光学結合器によって受け取られる。第１の複数の光学結合器によって受け取られた光は、第１の複数の光路に沿って第１の複数の光学導波管を通して第１の光学ポートまで誘導される。光学結合器あたり光路が１つずつ存在し得る。全ての第１の複数の光路の光学長は、ある基準内で等しい。基準は、約０．１％を上回る帯域幅における１コヒーレンス長＋第１の複数の光学結合器の２つの最大離間光学結合器間の間隔であり得る。光は、第１の光学ポートによって光学センサに向かって放出される。第１の複数の動的に調整可能な光学遅延ラインは、自動的に調節される。第１の複数の動的に調整可能な光学遅延ラインの各動的に調整可能な光学遅延ラインは、第１の複数の光路のうちのそれぞれの光路において配置される。第１の複数の動的に調整可能な光学遅延ラインの自動的調節は、第１の複数の光学結合器の感度を光に操向する。光の強度は、操向と関連して、第１の光学センサによって感知される。インコヒーレント光源への方向は、光の強度および操向に基づいて、自動的に計算される。
【００３５】
随意に、インコヒーレント光源からの光は、第２および第３の複数の光学結合器によって受け取られ得る。第２および第３の複数の光学結合器によって受け取られた光は、それぞれの第２および第３の複数の光路に沿って誘導され得る。第２および第３の複数の光路は、それぞれの第２および第３の複数の光学導波管を通してそれぞれの第２および第３の光学ポートまで延び得る。光学結合器あたり光路が１つずつ存在し得る。全ての第１、第２、および第３の複数の光路の光学長は、ある基準内で等しくあり得る。基準は、約０．１％を上回る帯域幅における１コヒーレンス長＋第１、第２、および第３の複数の光学結合器の２つの最大離間光学結合器間の間隔であり得る。光は、第２および第３の光学ポートによって放出され得る。光は、光学センサに向かって放出され得る。第１、第２、および第３の光学ポートによる光の放出は、共通光学伝搬領域の中への光の放出を含み得る。光学センサは、光学センサのアレイを含み得る。第２および第３の複数の動的に調整可能な光学遅延ラインは、自動的に調節され得る。第２および第３の複数の動的に調整可能な光学遅延ラインの各動的に調整可能な光学遅延ラインは、それぞれの複数の光路において配置され得る。第２および第３の複数の動的に調整可能な光学遅延ラインの自動的調節は、したがって、第２および第３の複数の光学結合器の感度を光に操向し得る。第１、第２、および第３の光学ポートからの光は、共通光学伝搬領域を通して光学センサのアレイに伝搬され得る。光のそれぞれの強度は、光学センサのアレイによって感知され得る。光の強度は、それぞれの操向と関連して、感知され得る。インコヒーレント光源への方向は、光のそれぞれの強度およびそれぞれの操向に基づいて、インコヒーレント光源への方向を自動的に計算することを含み得る。
【００３６】
随意に、光が第１、第２、および第３の複数の光学結合器に衝突することに先立って、インコヒーレント光源からの光は、光学ビーム操向器によって操向され得る。光学ビーム操向器は、複数の層を含み得る。光学ビーム操向器の各層は、第１のモードでは、それぞれの第１の屈折率を有し、第２のモードでは、それぞれの第２の屈折率を有し得る。各層の第２の屈折率は、設計波長において、層の第１の屈折率と異なり得る。各層の第２の屈折率は、設計波長において互いの層の第２の屈折率と異なり得る。光学ビーム操向器の各層は、層の第１の屈折率と層の第２の屈折率との間で独立して電気的に切り替え可能であり得る。インコヒーレント光源への方向の自動的計算は、光のそれぞれの強度、それぞれの操向、および層のそれぞれのモードに基づいて、インコヒーレント光源への方向を自動的に計算することを含み得る。
【００３７】
本発明は、図面と併せて具体的実施形態の以下の発明を実施するための形態を参照することによって、さらに完全に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、本発明の実施形態による、Ｈ−ツリーに配列される光学結合器のフェーズドアレイの概略平面図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態による、図１の光学結合器のフェーズドアレイを具現化する基板の一部の概略斜視図である。
【図３】図３は、図２の基板の一部の概略側面図である。
【図４】図４は、本発明の別の実施形態による、図１の光学結合器のフェーズドアレイを具現化する基板の一部の概略斜視図である。
【図５】図５は、本発明の実施形態による、トリミング部分および動的に調整可能な光学遅延ラインを示す、図１−４のフェーズドアレイの一部の概略平面図である。
【図６】図６は、本発明の実施形態による、トリミング部分を含む、図５の光学導波管のうちの１つの一部の概略図である。
【図７】図７は、本発明の実施形態による、図５の動的に調整可能な光学遅延ラインの概略平面図である。
【図８】図８は、本発明の実施形態による、四つ組セルの概略平面図であり、四つ組セルの各セルは、図１−７のゼロ光路長差フェーズドアレイを含む。
【図９】図９は、本発明の実施形態による、基板の一部の概略側面図であり、その中に図８の四つ組セルが配置される。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態による、基板の一部の概略側面図であり、その上に図８の四つ組セルが配置される。
【図１１】図１１は、本発明の実施形態による、図８の四つ組セルを含む、干渉計の概略平面図である。
【図１２】図１２は、本発明の別の実施形態による、図８の四つ組セルを含む、干渉計の概略平面図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施形態による、図１１または１２の干渉計の伝搬領域の概略側面図である。
【図１４】図１４は、本発明の別の実施形態による、図１１または１２の干渉計の伝搬領域の概略側面図である。
【図１５】図１５は、本発明の実施形態による、図１１または１２の干渉計の伝搬領域の側に配置されるポートの１つの可能な２次元アレイを図示する、概略図である。
【図１６】図１６は、本発明の実施形態による、図８の四つ組セルを含む、折り畳まれた干渉計の概略断面図である。
【図１７】図１７は、本発明の別の実施形態による、図８の四つ組セルを含む、折り畳まれた干渉計の概略断面図である。
【図１８】図１８は、本発明の実施形態による、マイクロレンズが光学結合器の上方に配置される、図２−４の基板の概略側面図である。
【図１９】図１９は、本発明の実施形態による、１つ以上のフェーズドアレイの正面に光学的に配置される粗調整ビーム操向器の概略側面図である。
【図２０】図２０は、本発明の実施形態による、図１９の粗調整ビーム操向器内の層として使用され得る、切り替え可能な光学ナノアンテナの組を図示する、概略図である。
【図２１】図２１は、本発明の実施形態による、図２０の切り替え可能な光学ナノアンテナのうちの２つをより詳細に図示する、概略図である。
【図２２】図２２は、本発明の実施形態による、図１−１７のフェーズドアレイまたは干渉計の光学センサから信号を処理する、コンピュータの概略ブロック図である。
【図２３Ａ】図２３Ａおよび２３Ｂは、集合的に、本発明の実施形態による、図２２のコンピュータによって行われる動作を図式的に図示する、フロー図である。
【図２３Ｂ】図２３Ａおよび２３Ｂは、集合的に、本発明の実施形態による、図２２のコンピュータによって行われる動作を図式的に図示する、フロー図である。
【図２４】図２４は、本発明の別の実施形態による、光学結合器のフェーズドアレイの概略平面図である。
【図２５】図２５は、本発明の実施形態による、図１−４の光学結合器のフェーズドアレイに類似するが、傾斜視程を有する、光学結合器のフェーズドアレイの一部の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
本発明の実施形態によると、略平面フォトニックデバイスとともに構築された新規ゼロ光路長差光フェーズドアレイを用いて、恒星等のインコヒーレント光源への方向を決定する方法および装置が、開示される。そのようなフェーズドアレイは、３次元恒星追跡器をより小型かつ軽量の略２次元システムに取り替えることができる。いくつかの実施形態では、ゼロ光路長差フェーズドアレイは、干渉計に光学的に接続される。いくつかの実施形態では、ゼロ光路長差フェーズドアレイは、逆に、光源によって駆動され、伝送デバイスとして使用される。
【００４０】
（アンテナのフェーズドアレイ）
アンテナのフェーズドアレイは、一般に、着信無線周波数（ＲＦ）信号の方向が確認される必要があるか、またはＲＦ信号が特定の方向に伝送される必要があるレーダおよび他の用途において使用される。１つ以上の受信機、送信機、または送受信機が、導波管または同軸ケーブル等のフィードラインを介して、アンテナのアレイに電気的に接続される。送信機の場合を例としてとると、送信機は、各アンテナにおける信号の位相が別個に制御されるように動作する。種々のアンテナによって放射される信号は、アンテナアレイの正面の空間内において、互いに建設的および破壊的に干渉する。信号が建設的に干渉する方向では、信号は、増強される一方、信号が破壊的に干渉する方向では、信号は、抑制され、それによって、所望の方向に有利に働く、アレイ全体の効果的放射パターンを生成する。種々のアンテナにおける位相、したがって、信号が伝搬する方向は、非常に迅速に変化させられ、それによって、そのようなシステムが電子的に操向され、例えば、ある方向の範囲にわたって掃引することを可能にすることができる。
【００４１】
相反定理によると、アンテナのフェーズドアレイは、信号を所望の方向から優先的に受信するために使用されることができる。位相を電子的に変化させることによって、システムは、ある方向範囲にわたって掃引し、信号が生じる方向、すなわち、信号の強度が最大である方向を確認することができる。
【００４２】
Ｓｕｎ，Ｗａｔｔｓ、他（以降、「Ｗａｔｔｓ」）は、光学アンテナのフェーズドアレイについて説明している。（米国特許第８，９８８，７５４号およびＳｕｎ，Ｗａｔｔｓ、他「Ｌａｒｇｅ−ｓｃａｌｅ  ｎａｎｏｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｐｈａｓｅｄ  ａｒｒａｙ」（Ｎａｔｕｒｅ，Ｖｏｌ．４９３、ｐｐ．１９５−１９９、２０１３年１月１０日）参照（それらの各々の全内容は、それが開示する全てに関して、参照することによって本明細書に組み込まれる））。各光学アンテナは、特定の振幅および位相の光を放出し、これらの放出の干渉を通して所望の遠視野放射パターンを形成する。
【００４３】
しかしながら、いずれの従来技術のフェーズドアレイでも、アンテナへの伝送ラインが、多波長の長さであり、全て等しい電気または光学長ではないので、コヒーレント信号（ＲＦまたは光）が、要求される。例えば、Ｗａｔｔｓは、レーザ光源を使用しているが、彼の図１から分かるように、彼の伝送ラインのうちのいくつかは、彼の伝送ラインの他のものより長い多波長である。Ｗａｔｔｓのレーザから彼の光学アンテナまでの全ての光路は、レーザ光の波長を法として、ほぼ等しい光学長を有すると仮定される。「法」とは、ある数が除数によって除算された後の剰余を意味する。この場合、光路の光学長は、光の波長によって除算される。法は、光路長が波長の整数倍によって除算された後の波長の割合である。
【００４４】
Ｗａｔｔｓは、各光学アンテナの放出位相を制御し、所望の遠視野放射パターンを達成する。しかしながら、光源は、コヒーレントでなければならない。インコヒーレント光の波長および／または位相は、経時的に無作為に変動する。したがって、光学的に長い（多波長）伝送ラインに沿って進行するインコヒーレント源からの光がその光学アンテナ（第１のアンテナ）に到着するまでに、源の波長および／または位相は、変化している。したがって、はるかに短い伝送ラインに沿って進行する源からの光は、第１のアンテナにおける光と位相がずれてその光学アンテナに到着する可能性が非常に高く、したがって、干渉を通して所望の遠視野放射パターンを形成することができない。
【００４５】
コヒーレント光の波長および位相は、経時的に変動しない。したがって、コヒーレント光が光学的に長いおよび光学的に短い伝送ラインに沿って進行し、Ｗａｔｔｓのそれぞれの光学アンテナに同相で到着するために、伝送ラインは、レーザ光の波長を法として、等しい光学長を有することのみ必要である。
【００４６】
しかしながら、恒星光は、インコヒーレントである。したがって、従来技術のフェーズドアレイは、恒星光と共に使用されることができない。本発明の実施形態は、この限界を克服し、インコヒーレント光とのフェーズドアレイの使用を可能にする。従来技術のＲＦまたは光フェーズドアレイに関連する教示は、コヒーレント光に限定され、インコヒーレント光に適用不可能であるので、本願は、新規であり、これらの参考文献に対して明白ではない。
【００４７】
（ゼロ光路長差フェーズドアレイ）
本発明の実施形態は、ゼロ光路長差フェーズドアレイを含み、それは、一方の光学アンテナ等と、２つ以上の光学信号が結合するかまたは感知もしくは発生させられる他方の点との間の全光路が、約０．１％を上回る帯域幅における１コヒーレンス長内において等しい光学長であることを意味する。「コヒーレンス長」とは、λ２／Δλを意味し、λは、フェーズドアレイ上に衝突する、もしくはそれによって放出される光の波長、またはフェーズドアレイの設計波長であり、Δλは、光の帯域幅またはフェーズドアレイの設計帯域幅を意味する。いくつかの実施形態は、本明細書に説明されるように、最大離間光学結合器間の間隔によって光路長の均等性要件を緩和し、本質的に、フェーズドアレイの視程を傾斜させる。いくつかの実施形態は、光路長の均等性要件を設計波長の１未満の所定の割合に限定する。
【００４８】
本発明の実施形態は、約１００ｎｍ〜約１ｍｍの光学波長に好適である。「光路長」（ＯＰＬ）、「光学距離」、および「光学長」は、光が媒体を通して辿る経路の幾何学的長さ（ｌ）と、それを通して光が伝搬する媒体の屈折率（ｎ）との積（ＯＰＬ＝ｌｎ）を意味する。材料の屈折率は、光が物質を通って伝搬するよりも真空を通って光がいかに速く伝搬するかの尺度である。屈折率（ｎ＝ｃ／ｖ）は、真空中の光速（ｃ）を物質中の光速（ｖ）によって除算することによって決定される。
【００４９】
本明細書で使用される場合、「光学結合器」とは、自由空間内を進行する光学信号と光ファイバまたは固体ガラス等の導波管内を進行する光学信号との間の光学アンテナまたは他のインターフェースデバイスを意味する。光学導波管が自由空間伝搬の所望の方向と垂直に延びている実施形態では、光学結合器は、この方向変化を促進するはずである。光学結合器の実施例として、小型格子、導波管内に製作されるプリズム、およびウエハ内にエッチングされ、ミラーとして使用されるファセットが挙げられる。「光学アンテナ」は、自由伝搬光学放射を局所エネルギーに、およびその逆に効率的に変換するように設計されるデバイスである。光学アンテナは、Ｐａｌａｓｈ  Ｂｈａｒａｄｗａｊ、他「Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｎｔｅｎｎａｓ」（Ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  Ｏｐｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｉｃｓ  １．３（２００９）、ｐｐ．４３８−４８３）によって説明されており、その全内容は、それが開示する全てに関して、参照することによって本明細書に組み込まれる。
【００５０】
図１は、本発明の実施形態による、Ｈ−ツリー１０２に配列される、円形によって表される光学結合器のフェーズドアレイ１００の概略平面図である。光学結合器１０４、１０６、１０８、および１１０によって例示される光学結合器は、Ｈ−ツリー１０２のリーフに接続される。ライン１１２、１１４、および１１６によって例示される、Ｈ−ツリー内のラインは、光学導波管または他の光学フィードラインを表す。光学導波管１１２−１１６は、ライン１１２−１１６の交差点１１８、１２０、および１２２によって表される光学スプリッタ／コンバイナにおいて出合う。例えば、光学結合器１０４および１０６を接続する光学導波管１１２および１１４は、光学スプリッタ／コンバイナ１１８において出合う。
【００５１】
光学導波管１１２および１１４は、等しい長さである。同様に、共通交差点において出合う、他の対の光学導波管１１２−１１６も、等しい長さである。組み合わせの方向は、連続した光学スプリッタ／コンバイナ１１８−１２２間で交互（左−右、上−下）し、各信号の組み合わせが同相で生じることを確実にする。結果として生じるフェーズドアレイ１００は、広範囲の波長にわたって動作する。フェーズドアレイ１００全体は、本明細書では、Ｈ−ツリーの「ルート」と称される光学導波管１２４によってフィードされる。
【００５２】
光学結合器の他の配列も、予期される。例えば、図２４は、異なる配列による、光学結合器のフェーズドアレイ２４００の概略平面図である。フェーズドアレイ２４００は、非対称有効視野を提供する。光学結合器のさらに他の配列もまた、予期される。例えば、Ｘ−ツリーが、使用され得るが、Ｘ−ツリーは、交差光路を要求し得る。しかしながら、簡単にするために、本発明の実施形態は、Ｈ−ツリーを使用して本明細書に説明される。
【００５３】
いくつかの実施形態では、光学結合器１０４−１１０は、着目波長において１波長未満にサイズ決定され、間隔を置かれる。しかしながら、他の実施形態では、光学結合器１０４−１１０は、数十または数百の波長を含む、２以上の波長分、間隔を置かれ得る。実施形態は、１００μｍ間隔を伴う、３２×３２の光学結合器のフェーズドアレイを含む。隣接する光学結合器１０４−１１０間の空間が、ほぼ光学結合器１０４−１１０のサイズまたはそれらより大きい場合、マイクロレンズが、本明細書に説明されるように使用され得る。「最大離間光学結合器」は、本明細書では、１２６に示されるように、「最短距離（光学長で測定される距離）として」幾何学的に間隔を置かれる、単一ウエハ上の光学結合器１０４−１１０のうちの２つを意味し、従って、同一ウエハ上の光学結合器１０４−１１０の他の２つは、最短距離として光学長で測定されるより大きい幾何学的距離で間隔を置かれていない。
【００５４】
いくつかの実施形態では、フェーズドアレイ１００は、シリコンウエハ等のフォトニックチップ上に実装される。「ウエハ」とは、シリコンウエハ等の製造された基板を意味する。例えば、地表は、ウエハの意味内には入らない。フォトニックチップは、基板を提供し、フォトニックチップは、基板の厚さ内に光学導波管１１２−１１６を提供するように製作され得る。光学導波管１１２−１１６は、着目波長において光学的に透明であるガラスまたは別の材料から作製され得る。光学導波管１１２−１１６は、中実であり得るか、または基板２００の厚さ内のボアによって画定され、部分的に真空化されるかまたは空気もしくは乾燥窒素等のガスで充填された中空等、中空であり得る。光学導波管１１２−１１６は、導波管の光学媒体の屈折率と光学導波管１１２−１１６を包囲する基板または他の材料の屈折率との間の差異によって画定され得る。フォトニックチップは、従来のＣＭＯＳプロセス等の従来の半導体製作プロセスを使用して製作され得る。
【００５５】
図２は、そのような基板２００の一部の概略斜視図である。図２は、図１における光学結合器１０４−１０８に対応する、４つの光学結合器２０２、２０４、２０６、および２０８を示す。光学結合器１０４−１０８は、基板２００に対して、アレイで配列される。図２に示される実施形態では、光学結合器１０４−１０８は、同一平面にある。図２はまた、図１における光学導波管１１２−１１６に対応する光学導波管２１０、２１２、および２１４を示す。図２における光学コンバイナ／スプリッタ２１６は、図１における光学コンバイナ／スプリッタ１２０に対応する。図３は、基板２００の一部の概略側面図である。
【００５６】
光学コンバイナ／スプリッタ２１６等の光学コンバイナ／スプリッタの設計は、低損失およびコヒーレント電力の組み合わせのために選択されるべきである。例えば、ハイブリッドリングコンバイナが、適切な状況において使用され得るが、ハイブリッドリングコンバイナは、比較的に狭帯域デバイスである。図２および３に図示されないが、光学導波管１２４（図１）は、基板２００の側面で終端し得る。
【００５７】
図４は、別の実施形態による、基板２００の一部の概略斜視図である。本実施形態では、光学結合器４０２−４０８、光学導波管４１０−４１４、および光学コンバイナ／スプリッタ４１６は、基板２００の表面上に製作される。図４に図示されないが、光学導波管１２４（図１）は、基板２００の縁で終端し得る。さらに別の実施形態では、導波管は、空気によって包囲され、それらの各々の端部に吊るされる自立型ガラスまたは他の固体光学媒体導波管であり得る。
【００５８】
導波管２１０−２１４または４１０−４１４が、基板２００の厚さ内に配置されるか、基板２００の表面上に配置されるか、または空気中に吊るされるかどうかにかかわらず、いくつかの実施形態では、光学結合器２０２−２０８または４０２−４０８のアレイは、光学結合器の数の観点から、比較的に大きくあり得る。いくつかの実施形態は、約１０，０００×１０，０００の光学結合器のアレイを含むが、しかしながら、より大きいおよびより小さいアレイも、想定される。導波管のＨ−ツリー１０２（図１）レイアウトは、導波管２１０−２１４または４１０−４１４が、基板２００の単一層を占有し、それによって、互いに交差することを回避することを可能にする。しかしながら、必要に応じて、好適に設計された導波管は、交差あたり１ｄｂをはるかに下回る損失を伴って交差することができる。
【００５９】
いくつかの実施形態では、基板２００は、約１０ｃｍ×約１０ｃｍ等、比較的に小さく、光学導波管２１０−２１４または４１０−４１４の長さは、Ｈ−ツリー内の導波管の場所に応じて、約１０μｍ〜約５ｃｍと変動する。したがって、光学導波管２１０−２１４または４１０−４１４のうちのいくつかは、１波長未満の長さであり得、光学導波管２１０−２１４または４１０−４１４のうちのその他は、１波長よりはるかに長くあり得る。しかしながら、記載されるように、光学導波管１２４（図１）の終端から各光学結合器１０４−１１０または４０２−４０８までの全光路の光学長は、１コヒーレンス長内または設計波長の１未満の所定の割合内等、ある所定の基準内において等しい。いくつかの実施形態では、所定の割合は、約１／１０である。
【００６０】
最初に製作されるとき、導波管２１０と２１２、または４１０と４１２等の組み合わせられる対の導波管は、製作上の非理想性に起因して等、所望の基準内において等しい光学長を有していない場合がある。本発明のいくつかの実施形態は、光学導波管２１０および２１２、または４１０および４１２の各々もしくはいくつかにトリミング部分を含む。これらのトリミング部分の光学長は、製作プロセスの一部として、またはその後、２１０と２１２、または４１０と４１２等の対の光学導波管の光学長を所望の公差内に等化するように調節され得る。
【００６１】
図５は、フェーズドアレイ１００の一部の概略平面図である。光学導波管１１２、１１４、および１１６は、それぞれの例示的トリミング部分５００、５０２、および５０４を含む。トリミング部分５００および５０２は、任意の光学コンバイナ／スプリッタ１１８または１２０より光学結合器１０４および１０６に近接して、光学結合器１０４および１０６の光路において配置される。トリミング部分５０４、５０６、５０８、および５１０等の追加のトリミング部分が、光学結合器１０４および１０６からより遠く、他の光学導波管内に配置され得る。
【００６２】
図６は、光学導波管１１２の一部の概略図であり、トリミング部分５００を示す。記載されるように、いくつかの実施形態では、光学導波管１１２−１１６は、参照番号６００および６０２によって示されるガラスから作製される。トリミング部分５００は、６つのトリミング区分６０４、６０６、６０８、６１０、６１２、および６１４を含む。しかしながら、他の実施形態では、他の数のトリミング区分が、含まれ得る。トリミング区分６０４−６１４は、ガラス部分６００および６０２と同一材料から作製され得るか、またはトリミング区分６０４−６１４は、異なる材料から作製され得る。全てのトリミング区分６０４−６１４は、同一材料から作製され得るか、または各トリミング区分６０４−６１４は、異なる材料から作製され得る。しかしながら、各トリミング区分６０４−６１４は、その屈折率が、トリミング区分内の材料を焼き鈍しすること等によって、恒久的に変化させられることができる材料から作製されるべきである。
【００６３】
製作中またはその後、光学導波管１１２−１１６の光学長またはそれらの差異は、光線をＨ−ツリーのルート１２４（図１）の中に導入し、対の光学結合器１０４−１１０における位相差を観察または測定すること等によって、測定され得る。トリミング区分６０４−６１４のうちの１つ以上のものの屈折率は、光学結合器１０４−１１０までの光路の光学長を等化するように、焼き鈍し等によって恒久的に変化させられ得る。トリミング区分６０４−６１４内の材料は、外部レーザによって材料を加熱することによって、または基板２００内に製作される選択された局所加熱器６１６、６１８、６２０、６２２、６２４、および／または６２６をアクティブ化することによって、焼き鈍しされ得る。トリミング区分６０４−６１４が焼き鈍しされるか、または別様に恒久的に変化させられる程度は、トリミング区分の屈折率が恒久的に変化させられる量を選択するように制御され得る。「恒久的に」とは、変化に影響を及ぼすためのプロセスが終了した後、変化が持続することを意味する。例えば、加熱による焼き鈍しは、ガラスがその焼き鈍し前温度に冷却された後も変化が持続するので、ガラスの屈折率を恒久的に変化させる。プロセスが終了した後、変化前値に戻るような値の変化は、恒久的ではない。
【００６４】
２つ以上の光学結合器１０４−１１０に共通な光路内にある、トリミング部分５０４、５０８、または５１０等のトリミング部分の屈折率になされる変化は、それらの光学結合器への全ての光路の光学長に影響を及ぼすことに留意されたい。したがって、光学結合器１０４−１１０の群につながる光路の光学長に対する全体的調節は、光学結合器１０４−１１０から離れたトリミング部分、例えば、トリミング部分５０８−５１０において行われ得、微調節は、光学結合器１０４−１１０により近いトリミング部分、例えば、トリミング部分５００−５０６において行われ得る。
【００６５】
図５に戻ると、フェーズドアレイ１００は、動的に調整可能な光学遅延ライン５１２、５１４、５１６、および５１８によって例示されるように、各光学結合器１０４−１１０に対する動的に調整可能な光学遅延ラインも含む。各動的に調整可能な光学遅延ラインは、対応する光学結合器１０４−１１０のそれぞれの光路において配置される。図７は、小型格子７０２光学結合器にフィードする動的に調整可能な光学遅延ライン７００の概略平面図である。動的に調整可能な光学遅延ライン７００の２つの区分７０４および７０６の長さは、基板２００内に製作される２つの加熱器７０８および７１０によって発生させられる可変量の熱によって一時的に調節され得る。各加熱器７０８−７１０によって発生させられる熱の量は、フェーズドアレイ１００を操向するプロセスを行うためのメモリ内に記憶される命令を実行するプロセッサ（図示せず）によって制御され得る。したがって、各動的に調整可能な光学遅延ラインは、熱的に位相調整可能な光学遅延ラインを含む。「一時的に」とは、恒久的ではないことを意味する。例えば、加熱器７０８および７１０が熱の発生を止めた後、動的に調整可能な光学遅延ライン７００の２つの区分７０４および７０６は、それらの各々の前の長さまたは少なくともそれに近くなるように戻る。
【００６６】
調整可能な光学遅延ライン５１２−５１８の動的調整は、フェーズドアレイ１００の各光学結合器１０４−１１０または４０２−４０８のリアルタイム位相を制御する。調整可能な光学遅延ライン５１２−５１８の動的調整は、対応する光学結合器１０４−１１０または４０２−４０８に進行する光学信号によって被られる遅延の量に一時的変更を加える。遅延の量は、比較的に迅速に変化させられることができ、したがって、動的に調整可能な光学遅延ライン５１２−５１８は、フェーズドアレイ１００を電子的に操向するように動的に調整され得る。トリミング区分６０４−６１４に恒久的変更を加える代わりに、またはそれに加え、トリミング区分６０４−６１４および／または調整可能な光学遅延ライン５１２−５１８は、一時的に変更され、製作上の非理想性を補償し得る。
【００６７】
記載されるように、光学導波管１２４（図１）は、基板２００の側面または縁で終端し得る。フェーズドアレイ１００は、光学エミッタもしくは光学センサ等の変換器または光学導波管１２４の終端を介してある他の光学装置に光学的に接続され得る。
【００６８】
（「傾斜付き」ゼロ光路長差フェーズドアレイ）
記載されるように、いくつかの実施形態は、フェーズドアレイの視程を本質的に傾斜させるように、光路長の均等性要件を緩和する。図２５は、フェーズドアレイの３つの光学結合器２５００、２５０２、および２５０４の概略図である。等しい光学長経路は、フェーズドアレイを光学結合器２５００−２５０４の平面と垂直な軸２５０６に沿って到着する光学信号に対して最大限に敏感にするであろう。
【００６９】
しかしながら、波面２５０８は、軸２５０６に沿ってではなく、ある角度で光学結合器２５００−２５０４に接近する。波面２５０８は、光学結合器２５００−２５０４の平面と角度２５１０を成す。波面２５００−２５０４は、したがって、光学結合器２５００−２５０４に対して「傾斜付き」と称される。この傾斜の結果、波面２５１２は、波面２５１２が光学結合器２５０２に到着する前に、光学結合器２５０４に到着し、波面２５１２は、波面２５１２が光学結合器２５００に到着する前に、光学結合器２５０２に到着する。
【００７０】
光学結合器２５０４が、波面２５１２によって遭遇されるフェーズドアレイの最初の光学結合器であると仮定し、追加の光学結合器（示されないが、省略記号によって示される）が、波面２５１２が光学結合器２５００に遭遇するより後に波面２５１２によって遭遇されると仮定する。波面２５１２が、光学結合器２５０４に遭遇した後、波面２５１２は、光学結合器２５０２に遭遇する前に、距離２５１４を伝搬する。同様に、波面２５１２が、光学結合器２５０２に遭遇した後、波面２５１２は、光学結合器２５００に遭遇する前に、距離２５１６を伝搬する。したがって、波面２５１２は、同時にではなく、経時的にずれて、光学結合器２５００−２５０４に到着する。
【００７１】
これらのずれた到着時間を補償するために、光学結合器２５００−２５０４のための光路は、異なる長さの光学遅延２５１８、２５２０、および２５２２を含む。光学遅延２５２２の光学長は、最初に遭遇される光学結合器２５０４および最後に遭遇される光学結合器（図示せず）における波面２５１２の到着時間の差異と等しい時間量だけ光学信号を遅延させるように選択される。同様に、光学遅延２５２０の光学長は、２番目に遭遇される光学結合器２５０２および最後の遭遇される光学結合器（図示せず）における波面２５１２の到着時間の差異と等しい時間量だけ光学信号を遅延させるように選択される。光学遅延２５１８の光学長は、３番目に遭遇される光学結合器２５００および最後の遭遇される光学結合器（図示せず）における波面２５１２の到着時間の差異と等しい時間量だけ光学信号を遅延させるように選択される。したがって、光学導波管は、光路が、建設的位相干渉を波面傾斜の所定の方向に偏らせるような様式において、それぞれの徐々に増大した光路２５１８−２５２２を含むように構成される。
【００７２】
光学結合器２５０４に到達後、光学結合器２５０２に到達するために波面２５１２によって進行される余剰距離２５１４は、ＢｓｉｎΘであり、Ｂは、光学結合器２５０２と２５０４との間の距離２５２４であり、Θは、角度２５１０である。（Ｍａｎｄｅｌ  Ｌ．  ＆  Ｗｏｌｆ  Ｅ．「光学コヒーレンスおよび量子光学」（Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ、１９９５年、第４．３．１節）参照）。最初の光学結合器２５０４に到達後、最後の光学結合器（図示せず）に到達するために波面２５１２によって進行される余剰距離も、同様に計算され得る。Θに関する最大可能値は、９０°である。ｓｉｎ９０°は、１であるので、最初の光学結合器２５０４に到達後、最後の光学結合器（図示せず）に到達するために波面２５１２によって進行される最大余剰距離は、最初と最後の光学結合器間の距離、すなわち、フェーズドアレイの２つの最大離間光学結合器間の間隔である。
【００７３】
したがって、最大可能傾斜を伴う光フェーズドアレイを包含するために、光学長の均等性に関する基準は、２つの最大離間光学結合器間の間隔によって緩和される。しかしながら、最も実践的光フェーズドアレイでは、傾斜角度は、９０°をはるかに下回る。いくつかの光学結合器は、傾斜付き波面を用いることで、非傾斜付き波面より良好に機能することに留意されたい。したがって、そのような光学結合器を含む光フェーズドアレイの視程は、光学結合器の平面と垂直ではないように画定され、結果として生じるずれた到着時間を補償し得、フェーズドアレイの光学結合器のための光路は、本明細書に開示されるように、異なる長さの光学遅延を含み得る。
【００７４】
（ゼロ光路長差フェーズドアレイの四つ組セル）
「四つ組セル」は、典型的には、正方形に配列される、４つのセンサまたはエミッタのアレイである。四つ組セルは、一般に、信号が受信される方向を確認するために使用される。４つのセンサの各々は、若干異なる軸外方向（［＋ｘ、＋ｙ］、［＋ｘ、−ｙ］、［−ｘ、−ｙ］、および［−ｘ、＋ｙ］）からの信号に最大限に応答するように調整され、軸は、四つ組セル全体と垂直である。検出後、４つの検出器からの信号は、軸に対する到着角度の測定値を計算するために差をとられ得る。
【００７５】
図８は、四つ組セル８００の概略平面図であり、各セル８０２、８０４、８０６、および８０８は、ゼロ光路長差フェーズドアレイを含む。各フェーズドアレイ８０２−８０８は、本明細書に説明されるようなものであるが、簡単のために、各フェーズドアレイ８０２−８０８は、１６の光学結合器のみを伴って図８に示される。フェーズドアレイ８０２−８０８は、任意の所望の数の光学結合器を有し得る。セル８０４および８０６の最後のフェーズドアレイブランチ８１０および８１２は、折り畳まれ、それらに他の２つのセル８０８および８０２の最後のフェーズドアレイブランチ８１４および８１６と等しい光路長を与え得る。
【００７６】
４つのセル８０２−８０８の出力８１８は、図９に図式的に図示されるように、基板の側面で終端し得る。図９では、４つのセル８０２−８０８の出力８１８に対応する出力９００は、それぞれ、光学ポート９０２、９０４、９０６、および９０８で終端する。同様に、図１０に図式的に示されるように、光学導波管１１２−１１６が、図４におけるように、基板２００の表面上に配置される実施形態では、４つのセル８０２−８０８の出力８１８に対応する出力１０００は、それぞれ、光学ポート１００２、１００４、１００６、および１００８で終端する。ポート９０２−９０８は、基板２００に対して所定の場所において配置されている。光学導波管１１２−１１６（図１）は、全ての光路の光学長が、設計波長の１未満の所定の割合内において等しくなるように、光学結合器あたり光路を１つずつ、それぞれの光路を介して、光学結合器１０４−１１０（図１）をポート９０２−９０８に光学的に接続する。
【００７７】
４つのセル８０２−８０８の出力８１８は、信号が四つ組セルによって受信される方向を確認するために、従来技術におけるように処理され得る。随意に、または代替として、各セル８０２−８０８は、少なくとも部分的に、信号が受信される方向を確認するために、セルによって受信された信号強度を最大化するように電子的に操向され得る。いくつかの実施形態では、四つ組セル８００の出力８１８は、それぞれの光学センサ（図示せず）に光学的に接続され、光学センサの出力は、プロセッサ（図示せず）に接続される。プロセッサは、信号が受信される方向を確認するための従来の様式においてセンサの出力を分析するプロセスを行うために、メモリ内に記憶される命令を実行し得る。
【００７８】
図８は、四つ組セルを示すが、他の数のセルが、１つの基板２００上で組み合わせられ、それによって、他の数の出力８１８を提供し得る。
【００７９】
（ゼロ光路長差フェーズドアレイの四つ組セルを伴う干渉計）
図１１は、本発明の実施形態による、干渉計１１００の概略平面図である。干渉計１１００は、４つのフェーズドアレイ１１０２、１１０４、１１０６、および１１０８を含む。各フェーズドアレイ１１０２−１１０８は、本明細書に説明されるようなものであるが、簡単のために、各フェーズドアレイ１１０２−１１０８は、４つの光学結合器のみを伴って図１１に示される。フェーズドアレイ１１０２−１１０８は、任意の所望の数の光学結合器を有し得る。４つのフェーズドアレイ１１０２−１１０８の出力１１１０は、ポート１１１２、１１１４、１１１６、および１１１８に光学的に接続される。ポート１１１２−１１１８は、光学エミッタである。ポート１１１２−１１１８は、単に、導波管１１１０の端部であり得るが、共通伝搬領域１１２０のインピーダンスにより良好に合致するようにテーパ状であり得る。
【００８０】
ポート１１１２−１１１８は、光学信号を、それらの各々の光学導波管から、共通伝搬領域１１２０の中に放出する。共通伝搬領域１１２０は、４つのフェーズドアレイ１１０２−１１０８の面積の和とほぼ等しい面積（平面図上）を有するべきである。光学センサのアレイ１１２２は、ポート１１１２−１１１８の遠視野内に、共通伝搬領域１１２２の反対側に配置され、光学信号をポート１１１２−１１１８から受信する。ポート１１１２−１１１８によって放出される光学信号は、共通伝搬領域１１２０内において互いに干渉し、光学センサのアレイ１１２２は、干渉によって生成される干渉パターンの縞を検出する。干渉パターンは、ポート１１１２−１１１８の間隔によって左右される縞空間周波数を有する。ここでは、「共通」とは、ポート１１１２−１１１８と光学センサのアレイ１１２２との間を伝搬する全ての光学信号によって共有されることを意味し、したがって、光学信号は、互いに干渉することが可能である。随意に、共通伝搬領域１１２２は、レンズ形状であり得る。
【００８１】
光学センサのアレイ１１２２からの出力は、プロセッサ（図示せず）に接続され得る。プロセッサは、信号が４つのフェーズドアレイ１１０２−１１０８によってどの方向から受信されているかを確認するために、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）の使用等、従来の様式において光学センサの出力を分析するプロセスを行うためにメモリ（図示せず）内に記憶される命令を実行し得る。随意に、または代替として、各フェーズドアレイ１１０２−１１０８は、少なくとも部分的に、信号が受信される方向を確認するために、セルによって受信された信号強度を最大化するように電子的に操向され得る。
【００８２】
図１２は、本発明の別の実施形態による、図１１の干渉計１１００に類似する、干渉計１２００の概略平面図である。図１１に示される実施形態では、ポート１１１２−１１１８は、疎らに非冗長的に間隔を置かれている。「非冗長間隔」とは、ポート１１１２−１１１８のうちの任意の２つの場所間のベクトル差が独特であることを意味する。光学センサのアレイ１１２２の出力は、信号が４つのフェーズドアレイ１１０２−１１０８によって受信される方向を確認するための従来の様式において分析される。
【００８３】
図１３は、伝搬領域１１２０の概略側面図である。図１３は、図１１および１２に示される実施形態にも適用可能である。伝搬領域１１２０は、基板２００の厚さ内に配置される。伝搬領域１１２０は、空気、乾燥窒素、または部分的真空を含む、ガラスまたは別の光学媒体から作製され得る。基板２００の屈折率と伝搬領域１１２０の屈折率との差異が、ポート１１１２−１１１８によって放出される光を含むために不十分である場合、好適な屈折率を伴う材料の層１３００および１３０２が、破線に示されるように、伝搬領域１１２０の上方および下方に配置され得る。
【００８４】
図１３に示されるように、伝搬領域１１２０は、比較的に薄く１３０４、ほぼ平面であり得る。しかしながら、図１４に図式的に示されるように、伝搬領域１１２０は、伝搬領域１１２０の幅１１２４程度（図１１および１２）等、厚く１４０４あることもできる。この場合、光学センサのアレイ１１２２は、最大でほぼ伝搬領域１１２０の厚さ１４０４等、高くあり得る。
【００８５】
いくつかの実施形態では、特に、伝搬領域が比較的に薄い１３０４場合、ポート１１１２−１１１８は、伝搬領域１１２０の片側のラインに沿って配置され得、光学センサのアレイ１１２２は、ポート１１１２−１１１８のラインと平行の別のラインに沿って伝搬領域１１２０の反対側に配置され得る。しかしながら、代替として、任意の実施形態では、ポート１１１２−１１１８は、伝搬領域１１２０の片側に２次元アレイで配置され得る。図１５は、伝搬領域１１２０の側面１５１２上に配置されるポート１５０２、１５０４、１５０６、１５０８、および１５１０によって表される、ポートの１つの可能な２次元アレイ１５００を図示する概略図である。他の数のポート１５０２−１５１０および他の配列のポート１５０２−１５１０も、想定される。
【００８６】
同様に、光学センサのアレイ１１２２は、ラインに沿って配列される必要はない。光学センサは、２次元アレイ、例えば、図１５に示されるアレイ１５００に類似する２次元アレイで配列され得る。この場合、第２のＦＦＴが、光学センサのアレイ１１２２の出力を分析し、信号が４つのフェーズドアレイ１１０２−１１０８によって受信される方向を確認するために使用され得る。
【００８７】
図１１−１５の干渉計１１００および１２００の各々は、単一ウエハ上に製作され得るか、またはフェーズドアレイ１１０２−１１０８は、１つのウエハ上に製作され得、伝搬領域１１２０は、ポート１１１２−１１１８および光学センサのアレイ１１２２とともに、別個のウエハ上に製作され、２つのウエハは、一緒に接合され得る。いずれの場合も、干渉計１１００および１２００は、略平面である。しかしながら、他の実施形態では、伝搬領域１１２０は、図１６または１７に図式的に図示されるように、フェーズドアレイ１１０２−１１０８（フェーズドアレイの光学導波管を含む）の下に光学的に折り畳まれ、より小型の干渉計を形成し得る。
【００８８】
図１６では、伝搬領域１１２０は、基板２００に接合され得る第２のウエハ１６００内に配置される。フェーズドアレイ１１０２−１１０８の出力１１１０は、１６０２および１６０４に配置されるミラーまたはプリズム等によって、第２のウエハ１６００およびポート１１１２−１１１８の中に折り畳まれる。別の実施形態では（図示せず）、伝搬領域１１２０は、別個のウエハ内の代わりに、基板２００の別の層内に製作される。共通光学伝搬領域および複数の光学変換器は、共通光学伝搬領域が、第１、第２、第３、および第４の複数の光学導波管の下に光学的に折り畳まれるように、第１の層と平行に、かつ随意に、第１の層から間隔を置かれて、基板の第２の層内に配置される。
【００８９】
随意に、プロセッサおよびメモリ１６０６は、基板２００内もしくはその上、または第２のウエハ１６００内に製作され、信号導線１６０８を介して、光学センサのアレイ１１２２に電気的に接続され得る。プロセッサ１６０６の出力１６１０は、電気接点パッド１６１２の組に接続され得、そこに外部回路が、電気的に接続され得る。光学センサのアレイ１１２２からの信号を処理後、プロセッサ１６０６は、信号がフェーズドアレイ１１０２−１１０８によって受信されている方向を示すように、電気信号を、出力１６１０および電気接点パッド１６１２の組を介して、外部回路に送信し得る。同様に、プロセッサ１６０６は、電気接点パッド１６１２を介して、コマンド信号を受け取り、それに応答して、図７に関して論じられる加熱器７０８および７１０を制御すること等によって、フェーズドアレイ１１０２−１１０８のうちの１つ以上のものを操向し得る。
【００９０】
代替として、図１７に示されるように、プロセッサおよびメモリ１６０６は、第３のウエハ１７００内に製作され得、第２および第３のウエハ１６００および１７００は、一緒に接合され得る。２つのウエハ１６００と１７００との間の好適な電気接続１７０２は、光学センサのアレイ１１２２をプロセッサ１６０６に電気的に接続する。
【００９１】
任意の実施形態は、随意に、その光学結合器に近接して配置されるマイクロレンズを有し得る。図１８は、各光学結合器１８０８、１８１０、１８１２、および１８１４の上方に配置されるマイクロレンズ１８００、１８０２、１８０４、および１８０６によって例示されるマイクロレンズを伴う基板２００の概略側面図である。各マイクロレンズ１８００−１８０６は、その対応する光学結合器１８０８−１８１４より直径が大きく、それによって、光学結合器１８０８−１８１４がマイクロレンズなしで捕捉するであろうより多くの光を捕捉し得る。さらに、マイクロレンズ１８００−１８０６は、そうでなければ有することになるであろう光学結合器１８０８−１８１４の視野角を低減させ、それによって、フェーズドアレイの放射パターンからのいくつかのサイドローブを排除する。
【００９２】
（多段階ビーム操向）
光フェーズドアレイは、本明細書に説明されるように、操向され得る範囲が限定され得、ある場合には、これらの範囲は、不十分であり得る。そのような場合、粗調整ビーム操向器が、１つ以上のフェーズドアレイの正面に光学的に配置され得る。図１９は、そのような配列の概略側面図である。粗調整ビーム操向器１９００は、フェーズドアレイ１９０２の正面に光学的に配置される。フェーズドアレイ１９０２は、微調整ビーム操向器として作用する。粗調整ビーム操向器１９００は、フェーズドアレイ１９０２を上回る範囲にわたってシステムの視方向を選択的に変化させることが可能である。
【００９３】
ある実施形態では、粗調整ビーム操向器１９００は、層１９０４、１９０６、１９０８、１９１０、１９１２、１９１４、および１９１６によって例示される、１２のスタックされた層を含む。各層１９０４−１９１６は、２つのモード間で選択的に切り替え可能である。第１のモードでは、層は、第１の屈折率を有し、第２のモードでは、層は、第２の屈折率を有する。第１のモードでは、層は、層に入射する光線を屈曲させないが、第２のモードでは、層は、固定角度で光を屈曲させる。各層は、その第１のモードでは、層が層に入射する光を屈折させないが、その第２のモードでは、層が垂直軸１９１８から光を屈折させるように、スタック内に配向される。
【００９４】
層の材料、厚さ、配向、および／または構造は、層の固定された（第２のモード）角度がバイナリ方式等で層毎に徐々に増加するようなものである。例えば、層の屈折角度は、表１に示されるようなものであり得る。
【表１】
2018517886.tif 000003
【００９５】
したがって、それらのそれぞれの第１のモードに設定されている層の組み合わせに応じて、約０°〜約３４．１４°の任意の角度が、３０秒角ステップにおいて選択され得る。
【００９６】
各層は、ニコルプリズム等の複屈折プリズムと、複屈折プリズムから発出する２つのビーム（偏光）のうちの１つを選択する偏光セレクタ等の好適な電気的に切り替え可能なフィルタとを含み得る。
【００９７】
別の実施形態では、各層は、切り替え可能な光学ナノアンテナの組を含む。１つのそのような層２０００が、図２０に図式的に図示される。層の厚さを通した光の伝搬の方向は、矢印２００２によって示される。層２０００は、列２００４、２００６、および２００８によって例示される切り替え可能な光学ナノアンテナの多くの列を含む。各列２００４−２００８は、多くの切り替え可能な光学ナノアンテナを含む。しかしながら、説明の簡単のために、切り替え可能な光学ナノアンテナ２０１０、２０１２、２０１４、２０１６、および２０１８によって例示される６つの切り替え可能な光学ナノアンテナのみが、各列２００４−２００８に示される。ナノアンテナ２０１０−２０１８は、従来のナノリソグラフィを使用して、シリコンチップ上のパターン化された金属等のメタマテリアルから作製され得る。ナノアンテナの列２００４の端部およびその近傍にあるナノアンテナ２０１２および２０１８は、図２１に図式的に図示される。
【００９８】
各ナノアンテナ２０１０−２０１８は、十字形状または別の好適な形状であり得る。十字実施形態では、ナノアンテナの１つの要素の電気寸法２０２０は、全てのナノアンテナ２０１０−２０１８に関して等しい。しかしながら、ナノアンテナの別の要素の電気寸法２０２２は、ナノアンテナ２０１０−２０１８の各列に沿って単調に変動する。ナノアンテナのそのような層２０００は、他の線形偏光に対して、入射光の１線形偏光分、遅延させる。
【００９９】
ナノアンテナ２０１０−２０１８は、２つのモード間で切り替え可能である。一方のモードでは、電気寸法２０２２は、説明されるように、ナノアンテナ２０１０−２０１８の各列に沿って単調に変動する。しかしながら、他方のモードでは、電気寸法２０２２は、ナノアンテナ２０１０−２０１８の全てにおいて等しい。このモードでは、ナノアンテナ２０１０−２０１８の組は、他の線形偏光に対して、入射光の１線形偏光分、遅延させない。
【０１００】
各ナノアンテナ２０１０−２０１８は、ナノアンテナ要素における２つの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）または他の好適な電子スイッチによって、２つのモード間で切り替え可能にされることができ、ナノアンテナ要素の長さは、ナノアンテナの組にわたって変動する。ＦＥＴは、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）から製作される、透明電気導体であり得る。図２１に図式的に図示されるように、ナノアンテナ２０１２は、２つのサブ要素２１００および２１０２を含むみ、それらは、それぞれ、選択的に、ＦＥＴ２１０４および２１０６によって、ナノアンテナ２０１２の残りに電気的に接続されるか、またはＦＥＴ２１０４および２１０６によって、ナノアンテナ２０１２の残りから電気的に隔離されることができる。
【０１０１】
ＦＥＴ２１０４および２１０６への適切なバイアス電圧の印加は、ＦＥＴを「オン」にし、サブ要素２１００および２１０２をナノアンテナ２０１２に電気的に接続し、それによって、事実上、ナノアンテナの電気寸法２０２２（図２０）を２１０８に示される長さと等しくする。しかしながら、ＦＥＴ２１０４および２１０６からのバイアス電圧の除去は、ＦＥＴを「オフ」にし、サブ要素２１００および２１０２をナノアンテナ２０１２から電気的に隔離し、それによって、事実上、ナノアンテナの電気寸法２０２２（図２０）を２１１０に示される長さと等しくする。
【０１０２】
同様に、ナノアンテナ２０１８は、それぞれ、選択的に、２つのＦＥＴ２１１６および２１１８によって、ナノアンテナに電気的に接続されるか、またはされないことができる２つのサブ要素２１１２および２１１４を含む。ＦＥＴ２１０４、２１０６、２１１６、および２１１８は、距離２１１０および２１２０が、互いに等しく、かつナノアンテナ２０１０の寸法２０２２と等しくなるように、ナノアンテナ２０１２および２０１８の残りに対して位置付けられる。したがって、ＦＥＴ２１０４、２１０６、２１１６、および２１１８が、「オフ」であるとき、全てのナノアンテナ２０１０−２０１８は、等しい電気寸法２０２２を有し、ナノアンテナ２０１０−２０１８は、他の線形偏光に対して、入射光の１線形偏光分、遅延させない。しかしながら、ＦＥＴ２１０４、２１０６、２１１６、および２１１８が、「オン」であるとき、ナノアンテナ２０１０−２０１８の電気寸法２０２２は、ナノアンテナ２０１０−２０１８の各列に沿って単調に変動し、ナノアンテナは、他の線形偏光に対して、入射光の１線形偏光分、遅延させる。ＦＥＴ２１０４、２１０６、２１１６、および２１１８は、プロセッサ（図示せず）によって制御され得る。
【０１０３】
（ゼロ光路長差フェーズドアレイ信号処理）
記載されるように、光学センサからの信号は、光学信号が生じる方向を確認するために、プロセッサによって処理され得る。図２２は、光学センサからの信号を処理する、コンピュータ２２００の概略ブロック図である。コンピュータ２２００の全部または一部は、フェーズドアレイと同一基板２００および／または基板１６００等の光学センサと同一基板上に実装され得る。随意に、または代替として、コンピュータ２２００は、基板２００または１６００に接合され、電気的に接続される別個の基板上に実装され得る。
【０１０４】
コンピュータ２２００は、メモリ２２０４内に記憶される命令を実行するプロセッサ２２０２を含む。プロセッサ２２０２は、シングルコアもしくはマルチコアマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、または他の好適なプロセッサであり得る。プロセッサ２２０２およびメモリ２２０４は、相互接続バス２２０６によって相互接続され得る。相互接続バス２２０６は、命令をメモリ２２０４からプロセッサ２２００２に送達し、相互接続バス２２０６は、メモリ２２０４によって記憶されるべきデータをプロセッサ２２０２から送達する。相互接続バス２２０６は、本明細書に図示および説明されるように、コンピュータの他の構成要素も相互接続する。
【０１０５】
光学センサ１１２２、すなわち、１つ以上のフェーズドアレイの出力８１８に直接光学的に結合される光学センサは、好適な周辺インターフェース回路２２０８によって、相互接続バス２２０６に電気的に接続され得る。そのような回路２２０８は、光学センサによって発生させられる電圧等の信号をプロセッサ２２０２に提供するために好適なデジタル信号に変換するために、好適な増幅器、アナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）、レベルコンバータ、バッファ等を含み得る。
【０１０６】
同様に、動的に調整可能な光学遅延ライン内の加熱器７０８および７１０は、位相調節器周辺インターフェース回路２２１０に電気的に接続され得る。インターフェース回路２２１０は、プロセッサ２２０２からのデジタル信号を加熱器７０８および７１０を駆動するために好適な電圧および／または電流に変換するための好適なデジタル／アナログコンバータ（ＤＡＣ）、増幅器、レベルコンバータ等を含み得る。
【０１０７】
同様に、粗調整ビーム操向器１９０４−１９１６は、粗調整ビーム操向器周辺インターフェース回路２２１２に電気的に接続され得る。インターフェース２２１２は、ＦＥＴ２１０４、２１０６、２１１６、および２１１８をオンまたはオフにすること等によって、プロセッサ２２０２からのデジタル信号を粗調整ビーム操向器１９０４−１９１６を駆動するために好適な電圧および／または電流に変換するための好適なデジタル／アナログ（ＤＡＣ）、増幅器、レベルコンバータ等を含み得る。
【０１０８】
ユーザインターフェースまたは外部回路インターフェース２２１４は、ユーザが、光学信号が生じるおよび／または外部回路がそれを行う動作および／または読み取り方向のパラメータを入力することを可能にする。
【０１０９】
したがって、プロセッサ２２０２は、光学センサに接続され、プロセッサ２２０２は、各光学センサによって受け取られた光の強度を示す信号を受信する。プロセッサ２２０２は、信号を分析し、基板２００に対する、光フェーズドアレイの遠視野からのインコヒーレント光の伝搬の軸を計算するプロセスを実行する。
【０１１０】
（インコヒーレント光源への方向の決定）
本明細書に説明される装置は、以下の非包括的リストを含む、いくつかの方法に従って、インコヒーレント光源への方向を決定するために使用され得る。図１−７を参照して説明されるフェーズドアレイ等の単一光フェーズドアレイは、最大信号受信の方向を確認するために、プロセッサ等によって電子的に操向され得る。図８−１０を参照して説明される四つ組セルによって例示される、３つ以上の対称的に配列される光フェーズドアレイのｎ−セルからの信号が、２次元（例えば、ｘおよびｙ、すなわち、方位角および仰角）において、インコヒーレント光源への方向を確認するために、プロセッサ等によって処理され得る。１次元のみ（例えば、所与の方位角に関して仰角のみ）における方向の確認が十分である場合は２つ以上の対称的に配列される光フェーズドアレイを伴うｎ−セルが、使用され得る。随意に、ｎ−セルからの信号は、図１１−１７を参照して説明される共通伝搬領域を通してフィードされ得、結果として生じる干渉縞は、プロセッサによって分析され、インコヒーレント光源への方向を確認し得る。随意に、ｎ−セルの光フェーズドアレイは、最大信号受信の方向を確認するために、プロセッサ等によって、電子的に操向され得る。これらの方法のいずれも、図１８を参照して説明されるように、光フェーズドアレイの光学結合器の前に、マイクロレンズを光学的に展開し得る。これらの方法のいずれも、図１９−２１を参照して説明されるように、各光フェーズドアレイの前に粗調整ビーム操向器を光学的に展開し、プロセッサによって粗調整ビーム操向器を制御し得る。これらの方法のいずれも、最大信号受信の方向を確認するために、プロセッサによって制御されるジンバルによって等、本明細書に説明される装置のいずれかを機械的に操向し得る。
【０１１１】
図２３は、本発明の実施形態による、インコヒーレント光源への方向を確認するために行われ得る動作を図式的に図示するフロー図である。２３００では、恒星等のインコヒーレント光源からの光が、随意に、図１９−２１を参照して説明される粗調整ビーム操向器等の多層光学ビーム操向器によって操向される。２３０２では、インコヒーレント光源からの光は、図１および２４を参照して説明されるアレイ等の光学結合器の１つ以上のアレイによって受け取られる。
【０１１２】
２３０４では、光学結合器によって受け取られた光は、それぞれの光路の組に沿って、それぞれの光学導波管の組を通して、１つ以上の光学ポートに誘導される。光は、全ての光路の光学長が所定の基準内で等しくなるように誘導される。一実施形態では、基準は、図２５に関して論じられるように、約０．１％を上回る帯域幅における１コヒーレンス長＋第１の複数の光学結合器のうちの２つの最大離間光学結合器の間の間隔である。別の実施形態では、基準は、約０．１％を上回る帯域幅における１コヒーレンス長である。別の実施形態では、基準は、設計波長の１未満の所定の割合である。例示的光学導波管および光路は、図２−４および８−１０を参照して説明される。
【０１１３】
２３０６では、光は、図１１、１２、および１５に関して説明されるように、光学ポートによって１つ以上の光学センサに向かって放出される。２３０８では、放出された光は、図１１−１４、１６、および１７に関して説明されるように、共通伝搬領域を通して伝搬される。
【０１１４】
２３１０では、複数の光路のうちの光路における位相シフタが、図５−７に関して説明されるように、自動的に調節され、光学結合器のアレイを操向し、光学センサのアレイを操向する。２３１２では、光学センサに衝突する光の強度が、光学結合器アレイの操向に関連して、感知される。２３１４では、インコヒーレント光源の方向は、図２２に関して論じられるように、光の強度、光学結合器アレイの操向、および多層ビーム操向器の層のモードに基づいて、自動的に計算される。
【０１１５】
（光学プロジェクタ）
相反定理によると、光学結合器のフェーズドアレイは、光学信号を所望の方向に優先的に伝送するために使用されることができる。したがって、本明細書に説明される光学結合器のフェーズドアレイのいずれも、光学プロジェクタとして使用され得る。例えば、光源５２０（図５）は、図２２のコンピュータ２２００の制御下、光５２２をフェーズド光学アレイ１００のルートポートの中に放出し得る。コンピュータ２２００は、動的に調整可能な光学遅延ライン５１２−５１８を動的に制御し、フェーズド光学アレイの遠視野放射パターンを動的に変化させ、それによって、遠視野を光で「塗装」し得る。
【０１１６】
別様に示されない限り、または当業者によって別様にされないであろう限り、「約」とは、２０パーセント以内を意味する。具体的パラメータ値が、開示される実施形態のために列挙され得るが、本発明の範囲内において、パラメータの全ての値は、異なる用途に好適となるように、広範囲にわたって変動し得る。本発明は、上記の例示的実施形態を通して説明されるが、本明細書で開示される発明の概念から逸脱することなく、図示した実施形態の修正および変化が行われ得る。さらに、開示された側面またはその一部が、上記に記載されていない、および／または明示的に請求されていない、方法で組み合わせられ得る。したがって、本発明は、開示された実施形態に限定されると見なされるべきではない。
【０１１７】
実施形態の側面は、フロー図および／またはブロック図を参照して説明され得るが、各ブロックの全体または一部分、もしくはブロックの組み合わせの機能、動作、決定等は、組み合わせられる、別個の動作に分離されるか、または他の順序で行われ得る。各ブロックの全体または一部分、もしくはブロックの組み合わせは、コンピュータプログラム命令（ソフトウェア等）、ハードウェア（組み合わせ論理、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、または他のハードウェア等）、ファームウェア、またはそれらの組み合わせとして実装され得る。実施形態は、メモリに記憶された命令を実行する、または命令によって制御される、プロセッサによって実装され得る。メモリは、制御ソフトウェアまたは他の命令およびデータを記憶するために好適である、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、または任意の他のメモリ、もしくはそれらの組み合わせであり得る。本発明の機能を定義する命令は、有形の書き込み不可能な非一過性記憶媒体（例えば、ＲＯＭ等のコンピュータ内の読み取り専用メモリデバイス、またはＣＤ−ＲＯＭもしくはＤＶＤディスク等のコンピュータ入出力アタッチメントによって読み取り可能であるデバイス）上に永久に記憶された情報、有形の書き込み可能な非一過性記憶媒体（例えば、フロッピー（登録商標）ディスク、取り外し可能フラッシュメモリ、およびハードドライブ）上に変化可能に記憶された情報、または有線もしくは無線コンピュータネットワークを含む通信媒体を通してコンピュータに伝えられる情報を含むが、それらに限定されない、多くの形態で、プロセッサに配信され得る。また、実施形態は、種々の例証的データ構造に関連して説明され得るが、種々のデータ構造を使用してシステムが具現化され得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２４】
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【図２５】
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【国際調査報告】
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