(57)【要約】  本願明細書では、光を２つの次元にわたって方向付けるためのシステムが説明される。第１の実施形態において、光ビームダイレクタは、自由空間回析結合素子などの分散素子のアレイに光学的に結合された、光インターリーバなどの、波長ルータを含む。第２の実施形態において、光ビームダイレクタは、１Ｄ−２Ｄ空間インターリーバに光学的に結合された回析素子を含む。【選択図】図２Ａ
2020532714.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
奥行寸法を有する環境内に光を２つの次元にわたって方向付けるための光学システムであって、前記２つの次元は、第一次元と前記第一次元に実質的に垂直な第二次元とを含み、前記システムは、
非隣接波長チャネルグループにグループ化された多重波長チャネルのうちの１つ以上を選択するための波長選択器と、
前記選択された波長チャネルに基づき、前記光を第１ポートから複数の第２ポートのうちの１つにルーティングするための波長ルータであって、前記複数の第２ポートは、（ａ）前記ルーティングされた光を前記環境の前記第一次元に対応付けられた波長寸法にわたって方向付けるように配置され、（ｂ）各々が前記非隣接波長チャネルグループのうちの１つにそれぞれ対応付けられる、波長ルータと、
分散素子のアレイであって、各分散素子は前記複数の第２ポートのうちの１つから前記ルーティングされた光をそれぞれ受光するように配置され、前記分散素子のアレイの各々は、前記受光された光を前記環境の前記第二次元にわたって方向付けるように構成される、分散素子のアレイと、
前記環境から返された光を受光するための受光器であって、前記返された光は前記奥行寸法を前記第一次元および前記第二次元にわたって判定するための情報を含む、受光器と、
を含む光学システム。
【請求項２】
前記波長ルータは光インターリーバを含む、請求項１に記載の光学システム。
【請求項３】
前記光インターリーバはアレイ状導波路回析格子（ＡＷＧ）を含む、請求項２に記載の光学システム。
【請求項４】
前記ＡＷＧはサイクリックＡＷＧを含む、請求項３に記載の光学システム。
【請求項５】
前記光インターリーバはマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）を含む、請求項２に記載の光学システム。
【請求項６】
前記光インターリーバは縦続接続されたインターリーバを含む、請求項２に記載の光学システム。
【請求項７】
前記光インターリーバは１０ＧＨｚ以下の自由スペクトル域を有する、請求項２〜６の何れか一項に記載の光学システム。
【請求項８】
前記光インターリーバは５ＧＨｚ以下の自由スペクトル域を有する、請求項２〜６の何れか一項に記載の光学システム。
【請求項９】
前記光インターリーバは１ＧＨｚ以下の自由スペクトル域を有する、請求項２〜６の何れか一項に記載の光学システム。
【請求項１０】
ＭまたはＭ／Ｎは少なくとも８であり、Ｍは前記グループの数であり、Ｎは多重波長チャネルの数である、請求項１〜９の何れか一項に記載の光学システム。
【請求項１１】
ＭまたはＭ／Ｎは少なくとも１６であり、Ｍは前記グループの数であり、Ｎは多重波長チャネルの数である、請求項１〜９の何れか一項に記載の光学システム。
【請求項１２】
ＭまたはＭ／Ｎは少なくとも３２であり、Ｍは前記グループの数であり、Ｎは多重波長チャネルの数である、請求項１〜９の何れか一項に記載の光学システム。
【請求項１３】
前記分散素子アレイは、少なくとも自由空間回析結合素子を含む、請求項１に記載の光学システム。
【請求項１４】
前記方向付けられた光を平行化するためにコリメータ素子を更に備える、請求項１に記載の光学システム。
【請求項１５】
前記コリメータ素子は焦点面を含み、前記分散素子アレイは前記焦点面に位置する、請求項１４に記載の光学システム。
【請求項１６】
前記コリメータ素子はシリンドリカルレンズである、請求項１５に記載の光学システム。
【請求項１７】
奥行寸法を有する環境内に光を第一次元と前記第一次元に実質的に垂直な第二次元とにわたって方向付けるための光学システムであって、前記システムは、
非隣接波長チャネルグループにグループ化された多重波長チャネルのうちの１つ以上を選択するための波長選択器と、
前記多重波長チャネルのうちの前記選択された１つに基づき、前記光を波長寸法全体に方向付けるように配置された分散素子と、
前記光を複数の第１ポートのうちの１つから複数の第２ポートのうちの１つにルーティングするための空間ルータであって，前記複数の第１ポートは前記波長寸法に応じて配置され、前記複数の第２ポートは前記第一次元と前記第二次元とに対応付けられた２つの寸法に沿って配置される、空間ルータと、
前記環境から返された光を受光するための受光器であって、前記返された光は、前記奥行寸法を前記第一次元および前記第二次元にわたって判定するための情報を含む、受光器と、
を含む光学システム。
【請求項１８】
前記分散素子はアレイ状導波路回析格子（ＡＷＧ）を含む、請求項１７に記載の光学システム。
【請求項１９】
前記空間ルータは一次元から二次元への導波路アレイを含む、請求項１８に記載の光学システム。
【請求項２０】
奥行寸法を有する環境を２つの次元にわたってプロファイリングするための空間プロファイリングシステムであって、前記システムは、
請求項１〜１９の何れか一項に記載の光学システムと、
前記光を供給するために前記光学システムに光学的に結合された光源と、
前記環境の前記奥行寸法を前記２つの次元にわたって判定するために前記光学システムに作動的に結合される処理ユニットと、
を含む空間プロファイリングシステム。
【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、本出願人の国際出願ＰＣＴ／ＡＵ２０１６／０５０８９９号（国際公開第２０１７／０５４０３６号として公開）に関連し、その内容全体を本願明細書に組み込むものとする。
【０００２】
分野
本開示は、全般的には、光ビームを方向付けるためのシステムおよび方法に関する。より具体的には、本開示は、光ビームを２つの次元に方向付けるためのシステムおよび方法に関する。特定の実施形態は、奥行寸法を有する環境内への光の２つの次元にわたる方向付けに関する。
【背景技術】
【０００３】
光ビームの方向付けは、マッピング目的のために光が環境内に送られる、ＬｉＤＡＲ（光による検知と測距）の応用を含む、ただしこれだけに限定されない、いくつかの用途を有する。三次元マッピングにおいて、これら次元のうちの１つは、光ビームの起点からある一点までの距離に関連し、その他の２つの次元は、光ビームが導かれる二次元空間（例えば、デカルト（ｘ，ｙ）または極（γ，θ）座標）に関連する。光ビーム方向付けのＬｉＤＡＲ使用例は、特許文献１に記載されている。
【０００４】
本願明細書における何れの従来技術への参照も、この従来技術は何れかの法域において共通の一般知識の一部を形成する、またはこの従来技術は当業者によって理解される、従来技術の他の部分と関係性があると見なされる、および／または従来技術の他の部分と組み合わされる、と合理的に期待され得るという承認または何れかの示唆形態として受け取られるべきではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１７／０５４０３６号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の１つの態様によると、光を２つの次元にわたって方向付けるための光学システムが提供される。この２つの次元は、第一次元とこの第一次元に実質的に垂直な第二次元とを含む。この光は、非隣接波長チャネルグループにグループ化された複数の波長チャネルのうちの選択された１つを含む。本システムは、
選択された波長チャネルに基づき、光を第１ポートから複数の第２ポートのうちの１つにルーティングするための波長ルータであって、これら第２ポートは、（ａ）ルーティングされた光を第一次元に対応付けられた波長寸法にわたって方向付けるように配置され、（ｂ）各々が非隣接波長チャネルグループのうちの１つにそれぞれ対応付けられる、波長ルータと、
複数の第２ポートのうちのそれぞれ１つからルーティングされた光をそれぞれ受光するように配置された複数の分散素子から成るアレイであって、アレイ内の各分散素子は、受光した光を第二次元にわたって方向付けるように構成される、分散素子のアレイと、
を含む。
【０００７】
本開示の別の態様によると、第一次元とこの第一次元に実質的に垂直な第二次元とにわたって光を方向付けるための光学システムが提供される。この光は、多重波長チャネルのうちの選択された１つを含む。本システムは、
多重波長チャネルのうちの選択された１つに基づき、光を波長寸法にわたって方向付けるように配置された分散素子と、
複数の第１ポートのうちの１つから複数の第２ポートのうちの１つに光をルーティングするための空間ルータであって、複数の第１ポートは、波長寸法に応じて配置され、複数の第２ポートは、第一次元および第二次元に対応付けられた２つの次元に沿って配置される、空間ルータと、
を含む。
【０００８】
本開示の別の態様によると、奥行寸法を有する環境を２つの次元にわたってプロファイリングするための空間プロファイリングシステムが提供される。本システムは、
直前の複数段落に記載の光学システムの一実施形態と、
光を供給するために、光学システムに光学的に結合された光源と、
環境の奥行寸法を２つの次元にわたって判定するために、光学システムに作動的に結合される処理ユニットと、
を含む。
【０００９】
本開示の更なる態様および複数の先行段落に記載の態様の更なる実施形態は、例として提供されている以下の説明から、および添付の図面を参照して、明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】環境を空間プロファイリングするためのモジュールを示す。
【図２】光ビームダイレクタの第１の実施形態を模式的に示す。
【図３Ａ】光インターリーバの一構成を示す。
【図３Ｂ】光インターリーバの別の構成を示す。
【図４】アレイ状導波路回析格子の一例を示す。
【図５】コリメータ素子を有するビームダイレクタの第１の実施形態を示す。
【図６】光ビームダイレクタの第２の実施形態を模式的に示す。
【図７】光ビームダイレクタの第２の実施形態の一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本願明細書においては、光を２つの次元にわたって方向付けるための光学システムの複数の実施形態を説明する。この２つの次元は、（例えば、ｙ軸または鉛直方向に沿った）第一次元と、この第一次元に実質的に垂直な（例えばｘ軸または水平方向に沿った）第二次元とを含む。記載のシステムは、選択された１つ以上の波長チャネルに基づき、機械的可動部品なしに、光を誘導できる。以下の説明は、（例えば、波長整調可能レーザの整調による）単一の波長チャネルの選択に言及しているが、当業者は、若干の変更（例えば、２つ以上の波長整調可能レーザ同士の光学的結合）によって、２つ以上の波長チャネルの選択にも当てはまり得ることを理解されるであろう。
【００１２】
したがって、誘導可能性は、走査速度、方向安定性、および空間分解能の点で、波長整調速度、波長安定性、および波長分解能にそれぞれ依存する。記載のシステムは、その静的性質の故に、機械的故障または機械的疲労の発生または影響の低減など、機械的性能への依存性を低減する上で有用であり得る。
【００１３】
記載の各実施形態は、例えば、環境の空間プロファイル（例えばｚ軸または奥行）を推定するための空間プロファイリング構成において、ビームダイレクタとして使用可能である。ビーム方向付けのための他の用途例は、分光測定、光見通し内通信、製造ライン上の２Ｄ走査、プロジェクタ、２Ｄプリンタ、適応照射、等々を含む。以下の説明は、空間プロファイルの推定に重点を置いているが、当業者は、この説明は、若干の変更によって、その他のビーム方向付け用途にも当てはまることを理解されるであろう。
【００１４】
図１は、空間プロファイリング構成１００の一例を示す。構成１００は、光源１０２と、ビームダイレクタ１０３と、受光器１０４と、処理ユニット１０５とを含む。図１の構成において、光源１０２からの出射光は、ビームダイレクタ１０３によって、空間プロファイルを有する環境１１０内に２つの次元方向に方向付けられる。この出射光が物体または反射面に当たると、この出射光の少なくとも一部がその物体または反射面によって反射されて（実線矢印で図示）、例えば散乱されて、ビームダイレクタ１０３に戻され、受光器１０４で受光され得る。処理ユニット１０５は光源１０２に、その動作を制御するために、作動的に結合される。処理ユニット１０５は、反射光が移動した往復距離を判定することによって反射面までの距離を判定するために、受光器１０４にも作動的に結合される。
【００１５】
光源１０２、ビームダイレクタ１０３、受光器１０４は、自由空間光学系を介して、および／または２Ｄまたは３Ｄ導波路の形態の光ファイバまたは光回路などの光導波路を介して、互いに光学的に結合され得る（以下も参照）。光源１０２からの出射光は、環境内への方向付けのために、ビームダイレクタ１０３に供給される。ビームダイレクタ１０３によって集められた反射光は、全て受光器１０４に方向付けられ得る。１つの例において、光源１０２からの光は、光学処理の目的のために、光源１０２から受光器１０４への直接光路（図示せず）を介して、受光器１０４にも供給され得る。例えば、光源１０２からの光は、最初に、サンプラ（例えば９０／１０光ファイバカップラ）に入り得る。サンプラにおいて、この光の大部分（例えば９０％）がビームダイレクタ１０３に供給され、この光の残りのサンプル部分（例えば１０％）が直接路を介して受光器１０４に供給される。別の例において、光源１０２からの光は、最初に光スイッチの入力ポートに入り、２つの出力ポートの一方から出射され得る。ここで、一方の出力ポートは、光をビームダイレクタ１０３に向かわせ、もう一方の出力ポートは、処理ユニット１０５によって決定された時点で、光を受光器１０４に再び向かわせる。環境の空間プロファイルを判定するための諸手法が本出願者の国際出願ＰＣＴ／ＡＵ２０１６／０５０８９９号（国際公開第２０１７／０５４０３６号として公開）に記載されており、その内容全体を本願明細書に組み込むものとする。
【００１６】
図２Ａは、図１のビームダイレクタ１０３の一実施形態１０３Ａを示す。光源１０２からの光２０１は、Ｍ個の非隣接波長チャネルグループにグループ化されたＮ個の波長チャネルのうちの選択された１つを含む。光源１０２は、電子制御信号による所望の波長チャネルの選択を可能にする波長整調可能レーザであり得る。非隣接波長チャネルの各グループは、複数の非連続波長チャネルを含む。Ｍ個のグループの非隣接波長チャネルは、インターリーブされた波長チャネルであり得る。１つの例において、Ｎ個の波長チャネルはそれぞれの中心波長λ１、λ２、．．．λΝによって示され、Ｍ個のグループのインターリーブされた波長チャネルは、｛λ１，λΜ＋１，・・・λΝ−Μ＋１｝、｛λ２，λΜ＋２・・・λΝ−Μ＋２｝、・・・および｛λΜ，λ２Μ，・・・λΝ｝である。すなわち、この例において、各グループは、均等に離間された波長チャネル（この場合、Ｍ個の波長チャネル毎）を含み、Ｍ個のグループの全てが同じ間隔を有する。別の例において、非隣接波長チャネルは、インターリーブされていない波長チャネルであり得るが、依然としてλ１からλΝまで広がり得る（例えば｛λ１，．．．λΝ｝、｛λ２，．．．λＮ−２｝、・・・および｛λΜ，・・・λΝ−Ｍ｝）。どちらの例においても、インターリーブされた波長チャネルの各グループは、光源１０２の整調可能範囲である、ほぼλ１からλＮまで広がる。以下に説明するように、波長チャネルのこの大きな広がりは、非隣接波長チャネルのグループ化によって、ビームダイレクタ１０３の所与の分散のためのより大きな方向誘導範囲を可能にする。
【００１７】
例示されているビームダイレクタ１０３Ａは、非隣接波長チャネルグループの光２０１を第１ポート２０４から第２ポート２０６−１、２０６−２．．．．２０６−Ｍ（総称２０６）のうちの１つにルーティングするための波長ルータ２０２（例えば光インターリーバ）を含む。このルーティングは、選択された波長チャネルに基づく。例えば、一インターリーブ配置において、例示されているビームダイレクタ１０３Ａは、第１のＭ個の連続波長チャネルをそれぞれＭ個の第２ポートにルーティングするように構成される。すなわち、λ１はポート２０６−１にルーティングされ、λ２はポート２０６−２にルーティングされ、．．．λΜはポート２０６−Ｍにルーティングされる。更に、ビームダイレクタ１０３Ａは、第２のＭ個の連続波長チャネルをそれぞれＭ個の第２ポートにルーティングするように構成される。すなわち、λΜ＋１はポート２０６−１にルーティングされ、λΜ＋２はポート２０６−２にルーティングされ、．．．λ２Μはポート２０６−Ｍにルーティングされる。例示されているビームダイレクタ１０３Ａは、残りの波長チャネルについても同様にルーティングするように構成される。すなわち、このインターリーブ配置において、Ｍ個の連続波長チャネルの各後続ロットはそれぞれＭ個の第２ポートにルーティングされる。実際に、各第２ポートは、非隣接波長チャネルλｋＭ＋ｎのグループのうちの１つにそれぞれ対応付けられる。ここで、ｋ０〜Ｎ−１であり、ｎは指定された第２ポートを表す。例えば、例示されているビームダイレクタ１０３Ａは、波長チャネルλｋＭ＋１のうちの何れかにおける光２０１をポート２０６−１にルーティングし、波長チャネルλｋＭ＋２をポート２０６−２にルーティングし、．．．波長チャネルλ（ｋ＋１）Ｍをポート２０６−Ｍにルーティングするように構成される。
【００１８】
第２ポート２０６は、ルーティングされた光を波長寸法にわたって方向付けるように配置される。この波長寸法は、（例えば、図２Ａのｙ軸または鉛直方向に沿った）第一次元であり得る、またはこの第一次元に関連付けられ得る、またはこの第一次元に別様に対応付けられ得る。図２Ａにおいて、この対応付けは、第２ポート２０６の物理的分離配置から生じ、出射光の独立した方向付けをｙ軸に沿って可能にする。ビームダイレクタ１０３Ａは、分散素子２０８−１、２０８−２．．．２０８−Ｍ（総称２０８）のアレイを更に含む。これら分散素子の各々は、第２ポート２０６のうちの１つからルーティングされた光をそれぞれ受光するように配置される。分散素子２０８は、ルーティングされた光を受光するために、（例えば、導波路結合、ファイバ結合、および自由空間結合機構（コリメータ素子を含む）のうちの１つ以上を介して）第２ポート２０６に光学的に結合される。この光結合は、図２に破線として表されている。アレイ内の各分散素子２０８は、受光した光を第二次元にわたって（例えば、図２Ａのｘ軸または水平方向に沿って）更に方向付けるように構成される。１つの例において、分散素子アレイ２０８内の１つ以上の分散素子の各々は、自由空間回析結合素子を含む。代わりに、または加えて、分散素子アレイ２０８内の１つ以上の分散素子は、回析格子、プリズム、グリズムを含む。更に代わりに、または加えて、分散素子２０８の各々は、単一の素子または複数の素子であり得る。分散素子２０８の各々は、一導波路（合計Ｍ個の導波路）内の出力ポート２０６に導波路結合され、Ｍ個の導波路の全てが同じ光学部品を通って伝搬する。ビームダイレクタ１０３Ａは、分散素子２０８からの出射光２１２（図２Ａに破線で図示）を平行化するために、１つ以上のコリメータ素子を含み得る。
【００１９】
図２Ａおよび図２Ｂには、説明のために、選択された波長がλ１とλΝの間で掃引されたときの出射光ビーム２１２の空間分布を示すためのスクリーン２１０が示されている。スクリーン２１０は、記載のシステム１０３Ａの一部ではない。図２Ｂは、出射光を遮るためにシステム１０３Ａの出力側に位置するスクリーン２１０の例示的画像２５０を模式的に示す。図２Ｂの各ドットは、波長チャネルλ１、λ２、．．．λΝのうちの選択された１つを表す。各ドットは、実際には、選択された波長チャネル（単数または複数）に基づき別個に現れるが、図４には、説明のために、全てのドットが同時に捕捉され得るかのように、同時に示されていることに留意されたい。例示的画像２５０は、Ｍ個の光出力グループ（２１２−１、２１２−２．．．２１２−Ｍ）を示している。グループ当たりのドットの数は、単なる例示であり、実際の数を表してはいない。Ｍ個の光出力グループは、Ｍ個の分散素子２０８−１、２０８−２．．．２０８−Ｍにそれぞれ対応する。これらグループは、第一次元（例えばｙ軸）にわたって分布し、各グループは第一次元に実質的に垂直な第二次元（例えばｘ軸）にわたって延在する。第一次元は、波長寸法（すなわち、波長ルータ２０２によって光が方向付けられる次元）に必ずしも厳密に一致するとは限らず、第二次元は、波長寸法に直交する次元に必ずしも厳密に一致するとは限らない。
【００２０】
説明のための一非限定例において、光源１０２は、遠隔通信グレードのレーザを含み得る。遠隔通信グレードのレーザは、０．０００４ｎｍ〜０．００８ｎｍまで段階的に（または、１５５０ｎｍにおいて約５０ＭＨｚ〜１ＧＨｚまで段階的に）整調可能な、約１５２７ｎｍ〜約１５６７ｎｍ（または、１５５０ｎｍにおいて約５０００ＧＨｚ）など、１００ｎｍの波長整調可能範囲を有し得る。例えば、光源１０２が４０ｎｍにわたって波長整調可能である場合、合計で約５０００段階（すなわち、Ｎ＝５０００）存在する。波長ルータ２０２は、８つ（すなわち、Ｍ＝８）の第２ポートを含む光インターリーバである。各ポートは６２５のインターリーブされた波長チャネルに対応付けられる（例えば、λ１、λ９、λ１７．．．λ４９９２が１つの第２ポートにルーティングされ、λ２、λ１０、λ１８．．．λ４９９３が別の第２ポートにルーティングされ、等々、λ８、λ１６、λ２４．．．λ５０００が最後の第２ポートにルーティングされる）。インターリーブされた波長チャネルのグループなど、非隣接波長チャネルがそれぞれ第２ポートにグループ化される故、各第２ポートは、光源１２０の波長整調可能範囲のほぼ全体にわたる光を受光して方向付けるように構成される（例えば、λ１〜λ４９９２は約４０ｎｍ−（８×０．００８ｎｍ）＝３９．９３６ｎｍにわたる）。これに対し、隣接チャネルが別様にグループ化される場合（例えば、λ１〜λ６２５が第１の第２ポートにグループ化される、等々）、各グループは、光源１２０の波長整調可能範囲全体の何分の一か（例えば、８分の１）にしかわたらない（例えば、λ１〜λ６２５は約４０ｎｍ／８＝５．０ｎｍにわたる）。したがって、非隣接波長チャネルをそれぞれの第２ポートにグループ化することで、第一次元にわたるビーム方向付けが容易になるばかりでなく、グループ化された波長チャネルが非隣接チャネルであることで、波長チャネルの範囲のより大きな広がり、ひいては分散素子２０８の所与の分散のために、第二次元にわたるビーム放散性の増加が可能になる。
【００２１】
１つの構成において、光インターリーバ２０２は１つ以上のマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ：Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）を含み得る。図３Ａは、１×２光インターリーバにおけるＭＺＩ３００の一例を示す。ＭＺＩ３００は、導波路ベースまたはファイバベースである。ＭＺＩ３００は、１つの入力ポート３０２と２つの出力ポート３０４−１および３０４−２（総称３０４）とを含む。ＭＺＩは干渉計の２つのアームの間に固定された光路差を含むので、入力ポート３０２に入射した光は、波長チャネルに基づき、一方の出力ポート３０４に現れる。１つの例において、入力ポート３０２は、波長チャネル｛λ１，λ２，．．．λＮ｝の光を受光し、受光した波長チャネルが｛λ１，λ３，．．．λΝ−１｝のうちの１つである場合は、その光を出力ポート３０４−１にルーティングし、受光した波長チャネルが｛λ２，λ４，．．．λΝ｝のうちの１つである場合は、出力ポート３０４−２にルーティングする、ように構成される。上記の数値例におけるパラメータを使用すると、０．００８ｎｍ（または、１５５０ｎｍにおいて約１ＧＨｚ）の自由スペクトル域（ＦＳＲ：ｆｒｅｅ  ｓｐｅｃｔｒａｌ  ｒａｎｇｅ）を有するようにＭＺＩ３００を構成することによって1×２光インターリーバが実現され得る。
【００２２】
図３Ｂは、１×４光インターリーバにおける縦続接続されたＭＺＩ３０６を示す。縦続接続されたＭＺＩ３０６は、図３Ａにそれぞれ示されているように、３つの構成ＭＺＩ３００−１、３００−２、および３００−３を含む。先行ＭＺＩ３００−１の２つの出力ポートは、２つの後続ＭＺＩ３００−２および３００−３のそれぞれの入力ポートに光学的に結合される。後続ＭＺＩ３００−２および３００−３の各々は、２つの出力ポートを含む。したがって、縦続接続されたＭＺＩ３０６は、合計４つの出力ポートを含む。縦続接続されたＭＺＩ３０６における各構成ＭＺＩは、波長チャネルのインターリーブ式ルーティングを容易にするために、それぞれ２つの干渉アームにそれぞれの光路差を有する。例えば、縦続接続されたＭＺＩ３０６は、波長チャネル｛λ１，λ２，．．．λＮ｝の光を受光し、受光した波長チャネルが｛λｋ，λｋ＋４，．．．λΝ−ｋ＋１｝のうちの１つである場合は、その光を出力ポート番号ｋ（ｋ∈｛１，２，３，４｝）にルーティングするように構成される。当業者は、縦続接続されたＱ個の構成ＭＺＩを使用して１×Ｍ光インターリーバが実現され得ることを理解されるであろう。ここで、Ｍ＝２Ｑ-１は、各々がインターリーブされた波長チャネルの一グループに対応付けられた出力ポートの数である。受光された波長チャネルが｛λｋ，λｋ＋Ｍ，…λΝ−Μ＋１｝のうちの１つである場合、出力ポート番号ｋ（ここで、ｋ∈｛１，２，．．．Ｍ｝）が、ルーティングされた光を受光する。
【００２３】
当業者は、実際には、意図せぬポートにルーティングされた光の故に漏話が存在することも理解されるであろう。すなわち、実際には、受光された波長チャネルが｛λｋ，λｋ＋Ｍ，…λΝ−Μ＋１｝のうちの１つでない場合でも、出力ポート番号ｋは、少量のルーティングされた光を受光し得る。１つの例において、漏話レベルは、約−３０ｄＢ以下である。
【００２４】
別の構成において、光インターリーバ２０２は、１つ以上のアレイ状導波路格子（ＡＷＧ）を含み得る。１つの例において、この１つ以上のＡＷＧは、少なくとも１つのサイクリックＡＷＧ（カラーレスＡＷＧとしても公知）を含む。図４は、Ｍ×ＭサイクリックＡＷＧ４００の一例を示す。サイクリックＡＷＧ４００は、導波路ベースまたはファイバベースであり得る。サイクリックＡＷＧ４００は、複数の入力ポート４０２−１．．．４０２−Ｍと複数の出力ポート４０４−１．．．４０４−Ｍとを含む。例えば、サイクリックＡＷＧ４００は、その入力ポート４０２の何れかで波長チャネル｛λ１，λ２，．．．λΝ｝の光を受光し、受光した波長チャネルが｛λｋ，λｋ＋Ｍ，…λΝ−Μ＋１｝のうちの１つである場合は、その光を出力ポート４０４番号ｋにルーティングするように構成される。サイクリックＡＷＧは、非サイクリックＡＷＧに比べ、より小さなＦＳＲを有するので、一般に、出力ポート当たりより多くのルーティングされた波長チャネルの存在が期待される。
【００２５】
更に別の構成において、光インターリーバ２０２は、１つ以上のエシェル型分波器を含み得る。
【００２６】
更に別の構成において、光インターリーバ２０２は、１つ以上のＭＺＩ、サイクリックＡＷＧなどの１つ以上のＡＷＧ、および１つ以上のエシェル型分波器の何れかの組み合わせを含み得る。
【００２７】
したがって、光インターリーバ２０２は、Ｍ個の波長チャネルグループに対応するＭ個の第２ポートを含む。各第２ポートは、Ｍ／Ｎ個の非隣接チャネルを通す。１つのケースにおいて、ＭおよびＮ／Ｍの一方は、少なくとも８、１６、または３２である。このケースは、第１および第２次元の一方にわたって（例えば、図２Ｂのｘまたはｙ軸にわたって８、１６、または３２ドットを生成する）少なくとも８、１６、または３２画素にわたって光が方向付けられるビームダイレクタに対応する。例えば、前述の一構成において、Ｍは８である。別の例において、Ｍは１６である。更に別の例において、Ｍは３２である。
【００２８】
更に、より小さなＦＳＲを有する光インターリーバは、第２ポート当たりより多くの波長チャネルを通す。１つの使用事例において、ＦＳＲは、１０ＧＨｚ以下であるように設計される。別の使用事例において、ＦＳＲは、５ＧＨｚ以下であるように設計される。更に別の使用事例において、ＦＳＲは１ＧＨｚ以下であるように設計される。例えば、前述の一構成において、ＦＳＲは１ＧＨｚである。
【００２９】
１つの構成においては、図５に示されているように、ビームダイレクタ１０３Ａは、出射光ビーム２１２を平行化するために、コリメータ素子５０２に光学的に結合され得る、またはコリメータ素子５０２を更に含み得る。簡素化のために、出射光ビーム２１２の３つの平面のみが図示されている。１つの例において、コリメータレンズ５０２はシリンドリカルレンズを含む。この例において、分散素子２０８は、シリンドリカルレンズの焦点面に、またはその近くに、位置する。図示されていないが、スクリーンがシリンドリカルレンズの出力側に配置されている場合、図２Ｂと同様の分布は、出射光を遮るためにシステム１０３Ａの出力側に位置するスクリーン２１０の例示的画像２５０を模式的に示す。
【００３０】
図６は、図１のビームダイレクタ１０３の別の実施形態１０３Ｂを示す。光源１０２からの光６０１は、Ｎ個の波長チャネルのうちの選択された１つを含む。光源１０２は、電子制御信号による所望の波長チャネルの選択を可能にする波長整調可能レーザであり得る。
【００３１】
図６に示されているように、ビームダイレクタ１０３Ｂは、多重波長チャネルλ１、λ２、．．．λＮのうちの選択された１つに基づき、光を（例えば、図６のｘ軸に沿った）波長寸法６０３全体に向かわせるように配置された分散素子６０２を含む。ビームダイレクタ１０３Ｂは、波長チャネルベースで方向付けられた光６０１−１〜６０１−Ｎを受光するために、空間ルータ６０４を更に含む。空間ルータ６０４は、方向付けられた光を受光するために、波長寸法に応じて配置された複数の第１ポート（６０６−１．．．６０６−Ｎ、総称６０６）を含む。空間ルータ６０４は、（例えばｘ軸に沿った）第一次元と（例えばｙ軸に沿った）第二次元とを含む２つの次元に配置された複数の第２ポート（６０８−１．．．６０８−Ｎ、総称６０８）を更に含む。各第２ポート６０８は、複数の第１ポート６０６のうちの１つにそれぞれ対応付けられる。ビームダイレクタ１０３Ｂは、波長チャネルベースで方向付けられた光６０１−１〜６０１−Ｎを複数の第１ポートに合焦または平行化するために、１つ以上のＧＲＩＮレンズなどの、平行光学系（図示せず）を含み得る。空間ルータ６０４は、複数の第１ポート６０６のうちの１つから、方向付けられた光６０１を複数の第２ポート６０８のうちの１つにそれぞれルーティングするように構成される。１つの構成において、空間ルータ６０４は、１Ｄ−２Ｄ光導波路アレイを含む。空間ルータ６０４は、第１ポートと第２ポートのそれぞれの対を光学的に結合するための光導波路６０５−１．．．６０５−Ｎ（総称６０５。簡素化のために、２つのみを図示）を含み得る。
【００３２】
光導波路６０５は、透明材料へのレーザ直描手法によって描画され得る。このような手法の１つは、導波路６０５を刻設するために非線形吸収によって透明材料の屈折率を制御可能に変化させるためのフェムト秒レーザパルスの使用を伴う。透明材料の一例は、バルク状シリカである。これは、光源１０２の波長（例えば、遠隔通信グレードの光源の場合の約１５５０ｎｍ波長帯）および直描用レーザの波長（例えば、Ｔｉ：サファイアフェムト秒レーザの場合の約８１０ｎｍ波長帯）を含む、広範囲の波長において透明である。
【００３３】
各次元に位置合わせされる波長チャネルの数は任意であり、レーザ直描工程によって決定される。例えば、Ｎ個の波長チャネルλ１、λ２、．．．λΝは、Ｍ個の波長チャネルグループにグループ化され得る。Ｍ個の波長チャネルグループは、第２ポート６０８のＭ個の行またはＭ個の列を表し得る。Ｍ個の波長チャネルグループは、｛λ１，λΜ＋１，・・・λΝ−Ｍ＋１｝、｛λ２，λΜ＋２．．．λΝ−Μ＋２｝、・・・、および｛λΜ，λ２Μ，・・・λΝ｝であり得る。別の例において、Ｍ個の波長チャネルグループは、｛λ１，．．．λΝ／Μ｝、｛λＮ／Ｍ＋１，・・・λ２Μ／Ν｝、・・・、および｛λΝ−Ν／Μ，…λΝ｝）であり得る。したがって、（例えば、光源１０２の波長整調によって）波長チャネルを選択することによって、光６０１は、複数の第２ポート６０８のうちの対応する１つにルーティングされ得る。ビームダイレクタ１０３Ｂは、（環境１１０内に発射される場合）第２ポート６０８から出る、または（環境１１０から反射される場合）第２ポート６０８に入る、光６１０を平行化または合焦するために、レンズアレイ（図示せず）などのコリメータ素子を１つ以上含み得る。ビームダイレクタ１０３Ｂは、図５のコリメータ素子５０２と同様に、１つ以上の出力コリメータレンズを焦点面配置で含み得る。この配置において、２Ｄアレイに配列された出力ポートは、１つ以上の出力コリメータレンズ経由の変形によって対応する２つの次元のビーム方向角度にマッピングされるように構成される。
【００３４】
１つの配置において、分散素子６０２は、プリズム、回析格子、グリズムのうちの何れか１つ以上を含む。別の配置では、図７に示されているように、分散素子６０２は、図４に例示されているＡＷＧ４００と同様のアレイ状導波路回析格子（ＡＷＧ）７００を含む。ＡＷＧ７００は、１つの入力ポート７０２と複数の出力ポート７０４−１．．．７０４−Ｎとを含む。ＡＷＧ７００の出力ポート７０４−１．．．７０４−Ｎは、空間インターリーバ６０４の第１ポート６０６−１．．．６０６−Ｎにそれぞれ光学的に結合されている。
【００３５】
以上、本開示の構成を説明したので、記載の構成のうちの少なくとも１つは以下の利点を有することが当業者には明らかなはずである。
・波長依存のビームダイレクタの使用は、出射光を、波長に基づき、２つの次元にわたる方向に方向付けるので、可動部品を必要とせず、ビームの再方向付け速度を向上させるための慣性が不要または僅かである。
・光インターリーバの形態の、第１の実施形態における波長ルータは、分散素子アレイが受ける波長範囲を最大化する可能性があるので、環境内への出射ビームの空間的広がりを最大化し得る。
・第２の実施形態における空間インターリーバは、行および列のそれぞれの数など、１Ｄ−２Ｄ変換のカスタマイズを可能にする。
・本開示の複数の実施形態は、占有面積および／または光学的位置合わせ要件を減らすために、チップベースにし得る。例えば、ビームダイレクタ１０３Ａの場合、波長ルータは、導波路ベースのサイクリックＡＷＧとして実現され得る。分散素子は、導波路ベースの自由空間回析結合素子として実現され得る。ビームダイレクタ１０３Ｂの場合、分散素子は、導波路ベースのＡＷＧとして実現され得る。１Ｄ−２Ｄ空間インターリーバは、レーザ直描導波路として実現され得る。
・本開示の複数の実施形態は、双方向の光（例えば、環境１１０への出射光、ならびに環境１１０からの入射光）のために構成され得る。出射路と入射路とは光学的に同様に挙動する。
・波長選択性は、他の光源からの干渉に対する保護を容易にする。
【００３６】
本願明細書に開示および規定されている開示内容は、明細書本文に記載されている、または図面から明らかな、個々の特徴の２つ以上の全ての代替組み合わせに及ぶことを理解されるであろう。これらさまざまな組み合わせの全てが本開示のさまざまな代替態様を構成する。
【図１】
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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４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年4月27日(2020.4.27)
【手続補正１】
【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】
環境をプロファイリングするための空間プロファイリングシステムであって、前記空間プロファイリングシステムは、
奥行寸法を有する環境内に光を２つの次元にわたって方向付けるための光学システムであって、前記２つの次元は、第一次元と前記第一次元に実質的に垂直な第二次元とを含む、光学システムを備え、前記光学システムは、
非隣接波長チャネルグループにグループ化された多重波長チャネルのうちの１つ以上を選択するための波長選択器と、
前記選択された波長チャネルに基づき、前記光を第１ポートから複数の第２ポートのうちの１つにルーティングするための波長ルータであって、前記複数の第２ポートは、（ａ）前記ルーティングされた光を前記環境の前記第一次元に対応付けられた波長寸法にわたって方向付けるように配置され、（ｂ）各々が前記非隣接波長チャネルグループのうちの１つにそれぞれ対応付けられる、波長ルータと、
分散素子のアレイであって、各分散素子は前記複数の第２ポートのうちの１つから前記ルーティングされた光をそれぞれ受光するように配置され、前記分散素子のアレイの各々は、前記受光された光を前記環境の前記第二次元にわたって方向付けるように構成される、分散素子のアレイと、
前記環境から返された光を受光するための受光器であって、前記返された光は前記奥行寸法を前記第一次元および前記第二次元にわたって判定するための情報を含む、受光器と、
前記光を供給するために前記光学システムに光学的に結合された光源と、
前記光学システムに作動的に結合される処理ユニットであって、前記処理ユニットは前記環境の前記奥行寸法を前記２つの次元にわたって判定するように構成される、処理ユニットと、
を含む、空間プロファイリングシステム。
【請求項２】
前記波長ルータは光インターリーバを含む、請求項１に記載の空間プロファイリングシステム。
【請求項３】
前記光インターリーバはアレイ状導波路回析格子（ＡＷＧ）を含む、請求項２に記載の空間プロファイリングシステム。
【請求項４】
前記ＡＷＧはサイクリックＡＷＧを含む、請求項３に記載の空間プロファイリングシステム。
【請求項５】
前記光インターリーバはマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）を含む、請求項２に記載の空間プロファイリングステム。
【請求項６】
前記光インターリーバは縦続接続されたインターリーバを含む、請求項２に記載の空間プロファイリングシステム。
【請求項７】
前記光インターリーバは１０ＧＨｚ以下の自由スペクトル域を有する、請求項２〜６の何れか一項に記載の空間プロファイリングシステム。
【請求項８】
前記光インターリーバは５ＧＨｚ以下の自由スペクトル域を有する、請求項２〜６の何れか一項に記載の空間プロファイリングシステム。
【請求項９】
前記光インターリーバは１ＧＨｚ以下の自由スペクトル域を有する、請求項２〜６の何れか一項に記載の空間プロファイリングシステム。
【請求項１０】
ＭまたはＭ／Ｎは少なくとも８であり、Ｍは前記グループの数であり、Ｎは多重波長チャネルの数である、請求項１〜９の何れか一項に記載の空間プロファイリングシステム。
【請求項１１】
ＭまたはＭ／Ｎは少なくとも１６であり、Ｍは前記グループの数であり、Ｎは多重波長チャネルの数である、請求項１〜９の何れか一項に記載の空間プロファイリングシステム。
【請求項１２】
ＭまたはＭ／Ｎは少なくとも３２であり、Ｍは前記グループの数であり、Ｎは多重波長チャネルの数である、請求項１〜９の何れか一項に記載の空間プロファイリングシステム。
【請求項１３】
前記分散素子アレイは、少なくとも自由空間回析結合素子を含む、請求項１に記載の空間プロファイリングシステム。
【請求項１４】
前記方向付けられた光を平行化するためにコリメータ素子を更に備える、請求項１に記載の空間プロファイリングシステム。
【請求項１５】
前記コリメータ素子は焦点面を含み、前記分散素子アレイは前記焦点面に位置する、請求項１４に記載の空間プロファイリングシステム。
【請求項１６】
前記コリメータ素子は円筒状レンズである、請求項１５に記載の空間プロファイリングシステム。
【請求項１７】
環境をプロファイリングするための空間プロファイリングシステムであって、前記空間プロファイリングシステムは、
奥行寸法を有する環境内に光を第一次元と前記第一次元に実質的に垂直な第二次元とにわたって方向付けるための光学システムを備え、前記光学システムは、
非隣接波長チャネルグループにグループ化された多重波長チャネルのうちの１つ以上を選択するための波長選択器と、
前記多重波長チャネルのうちの前記選択された１つ以上の前記多重波長チャネルに基づき、前記光を波長寸法全体に方向付けるように配置された分散素子と、
前記光を複数の第１ポートのうちの１つから複数の第２ポートのうちの１つにルーティングするための空間ルータであって，前記複数の第１ポートは前記波長寸法に応じて配置され、前記複数の第２ポートは前記第一次元と前記第二次元とに対応付けられた２つの寸法に沿って配置される、空間ルータと、
前記環境から返された光を受光するための受光器であって、前記返された光は、前記奥行寸法を前記第一次元および前記第二次元にわたって判定するための情報を含む、受光器と、
前記光を供給するために前記光学システムに光学的に結合された光源と、
前記光学システムに作動的に結合される処理ユニットであって、前記処理ユニットは、前記環境の前記奥行寸法を前記２つの次元にわたって判定するように構成される、処理ユニットと、を含む、空間プロファイリングシステム。
【請求項１８】
前記分散素子はアレイ状導波路回析格子（ＡＷＧ）を含む、請求項１７に記載の空間プロファイリングシステム。
【請求項１９】
前記空間ルータは一次元から二次元への導波路アレイを含む、請求項１８に記載の空間プロファイリングシステム。
【国際調査報告】
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