JP6880190B2 - 全ソリッドステート光学伝送／受信端末 - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、米国仮特許出願第６２／４９８，１５８号、出願日２０１６年１２月１６日、発明の名称”Ａｌｌ−ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒａｎｓｍｉｔ／ｒｅｃｅｉｖｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ”、米国仮特許出願第６２／４５０，８５５号、出願日２０１７年１月２６日、発明の名称”Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｌｉｇｈｔ Ｆｉｅｌｄ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ”、および米国仮特許出願第６２／５１６，６０２号、出願日２０１７年６月７日、発明の名称”Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ＭＥＭＳ Ｓｗｉｔｃｈｅｓ ｆｏｒ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ Ｉｎ ａｎｄ Ｏｕｔ ｏｆ ａ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ”の利益を主張するものであり、これらの各々の全内容は、あらゆる目的のために参照により本明細書中に援用される。

本発明は、光学スイッチネットワークに関し、より具体的には、光方向および測距（ＬｉＤＡＲ）およびレーザ通信システム等において、光学信号が伝送または受信される方向を制御するために使用される光学スイッチネットワークに関する。

多くの光学システムは、高精度を伴って制御され得る方向における（人間に視認可能または視認不可能な）コリメート光学ビームを放出または受光する必要がある。例えば、そのような光学ビームは、光方向および測距（ＬｉＤＡＲ）システムにおいて使用され、多くの場合、これらのビームは、標的を位置特定または追跡するために操向または掃引される必要がある。同様に、レーザ通信システムは、時として、２つの端末の間で最初に見通し内通信チャネルを確立するため、または端末の一方または両方が移動する場合等に、光学ビームを操向する必要がある。

先行技術のＬｉＤＡＲおよびレーザ通信端末は、米国特許公開第２００７／０２２９９９４号によって例示されるように、望遠鏡を使用し、ジンバルを使用して、望遠鏡全体を向けるか、または移動可能な操向鏡を望遠鏡の正面に設置し、鏡を使用するかのいずれか一方を行い、ビームを再指向する。しかしながら、本アプローチは、サイズ、質量、電力、および信頼性の観点から付随する欠点を伴う、大型の嵩張る移動システムを要求する。

ビーム操向の他の従来の方法は、多数のアンテナがともに近接してアレイ化され、コヒーレントに動作される、すなわち、個々のエミッタの位相が慎重に制御され、アレイ全体を調和して動作させる、光学位相アレイを伴う。近接場における信号は、建設的および破壊的に干渉し、所望される方向にヌルおよび強化信号を作成する。しかしながら、位相アレイは、多数のエミッタおよび関連付けられる光学位相調節器を要求する。

公称光学位相アレイは、半波長間隔で、すなわち、約０．５μｍで配置される、エミッタを有する。長距離レーザ通信等の用途のために、要求される総開口サイズは、約５ｃｍである場合がある。したがって、１０^４×１０^４個のエミッタおよび位相偏移器のアレイが、必要とされるであろう。現在実証されているように、位相偏移器は、動作するために約１メガワットの電力を要求する。したがって、そのようなアレイの総電力消費量は、１０^５ワット、すなわち、非現実的に多量の電力に迫り得る。しかしながら、バイナリ光学スイッチが加工され得る密度の限界が、伝送／受信端末の空間分解能、すなわち、可能性として考えられる伝送または受信ビーム位置の密度を限定する。

米国特許第２００７／０２２９９９４号明細書

本発明のある実施形態は、光学送信／受信端末を提供する。光学送信／受信端末は、レンズと、光学スイッチネットワークとを含む。レンズは、視野を有する。光学スイッチネットワークは、平面状のＮ×１光学スイッチネットワークである。光学スイッチネットワークは、共通入力／出力ポートと、Ｎ個の他のポートとを有する。Ｎ個の他のポートは、Ｎ個の他のポートの各ポートがレンズ視野の一意の部分に光学的に結合されるように、レンズに光学的に結合される。光学送信／受信端末はまた、光学スイッチネットワークの共通入力／出力ポートに光学的に結合される、光学伝送機および／または光学受信機を含む。

Ｎ個の他のポートは、長方形アレイ内に配列されてもよい。

Ｎ個の他のポートは、平面状の表面上に配置されてもよい。

光学スイッチネットワークは、光チップを含む、またはその上で加工されてもよい。

Ｎ個の他のポートの各ポートは、光学結合器を含んでもよい

光学送信／受信端末はまた、複数の光ファイバを含んでもよい。Ｎ個の他のポートの各ポートは、それぞれ、複数の光ファイバの少なくとも１つの光ファイバを介してレンズに光学的に結合されてもよい。

光学スイッチネットワークは、複数の光導波管を含んでもよい。複数の光導波管は、複数の光学接合部において交差してもよい。複数の光導波管および複数の光学接合部は、分岐した光導波管ネットワーク内に配列されてもよい。分岐した光導波管ネットワークは、ルートと、複数のリーフとを有してもよい。ルートは、共通入力／出力ポートに結合されてもよい。複数のリーフの各リーフは、Ｎ個の他のポートの個別のポートに結合されてもよい。光学スイッチネットワークはまた、複数のバイナリ光学スイッチを含んでもよい。複数のバイナリ光学スイッチの個別の１つのバイナリ光学スイッチは、複数の光学接合部の各光学接合部に配置されてもよい。

分岐した光導波管ネットワークは、Ｈツリーを含んでもよい。

光学スイッチネットワークは、光チップを含む、またはその上で加工されてもよい。

光学送信／受信端末はまた、行および列アドレス指定行列を含んでもよい。行および列アドレス指定行列は、複数の行と、複数の列とを有してもよい。複数のバイナリ光学スイッチの各バイナリ光学スイッチは、複数の行のうちの行に結合されてもよい。複数のバイナリ光学スイッチの各バイナリ光学スイッチは、複数の列のうちの列に結合されてもよい。複数のバイナリ光学スイッチの各バイナリ光学スイッチは、複数の行のうちの行および複数の列のうちの列の両方の上に存在する信号に応答して作動するように構成されてもよい。

光学スイッチネットワークは、ｘ−ｙ平面内に存在してもよい。光学送信／受信端末は、ｘ−ｙ段を含んでもよい。ｘ−ｙ段は、レンズに機械的に結合されてもよい。ｘ−ｙ段は、レンズを、光学スイッチネットワークに対して、ｘ−ｙ平面に平行な平面内に偏移させるように構成されてもよい。

レンズは、ｘ−ｙ平面内に存在してもよい。光学送信／受信端末は、ｘ−ｙ段を含んでもよい。ｘ−ｙ段は、光学スイッチネットワークに機械的に結合されてもよい。ｘ−ｙ段は、光学スイッチネットワークを、レンズに対して、ｘ−ｙ平面に平行な平面内に偏移させるように構成されてもよい。

光学送信／受信端末は、ｘ−ｙ段を含んでもよい。ｘ−ｙ段は、レンズおよび光学スイッチネットワークに機械的に結合されてもよい。ｘ−ｙ段は、レンズを、光学スイッチネットワーク光学系とともに平面内に偏移させるように構成されてもよい。

光学スイッチネットワークは、ｘ−ｙ平面内に存在してもよい。光学送信／受信端末は、レンズと光学スイッチネットワークとの間に光学的に配置される、中間光学系を含んでもよい。光学送信／受信端末はまた、ｘ−ｙ段を含んでもよい。ｘ−ｙ段は、中間光学系に機械的に結合されてもよい。ｘ−ｙ段は、中間光学系をｘ−ｙ平面に平行な平面内に偏移させるように構成されてもよい。

中間光学系は、小型レンズアレイを含んでもよい。

光学スイッチネットワークは、ｘ−ｙ平面内に存在してもよい。レンズは、少なくとも、第１の小型レンズアレイと、第１の小型レンズアレイに平行な第２の小型レンズアレイとを含んでもよい。光学送信／受信端末は、レンズと光学スイッチネットワークとの間に光学的に配置される、第３の小型レンズアレイを含んでもよい。光学送信／受信端末は、ｘ−ｙ段を含んでもよい。ｘ−ｙ段は、レンズに機械的に結合されてもよい。ｘ−ｙ段は、レンズをｘ−ｙ平面に平行な平面内に偏移させるように構成されてもよい。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
光学送信／受信端末であって、
視野を有するレンズと、
共通入力／出力ポートと、Ｎ個の他のポートとを有する、平面状のＮ×１光学スイッチネットワークであって、前記Ｎ個の他のポートは、前記Ｎ個の他のポートの各ポートが前記レンズの視野の一意の部分に光学的に結合されるように、前記レンズに光学的に結合される、平面状のＮ×１光学スイッチネットワークと、
前記光学スイッチネットワークの共通入力／出力ポートに光学的に結合される光学伝送機および／または光受信機と
を備える、光学送信／受信端末。
（項目２）
前記Ｎ個の他のポートは、長方形アレイ内に配列される、項目１に記載の光学送信／受信端末。
（項目３）
前記Ｎ個の他のポートは、平面状の表面上に配置される、項目１−２のいずれかに記載の光学送信／受信端末。
（項目４）
前記光学スイッチネットワークは、光チップを備える、項目１−３のいずれかに記載の光学送信／受信端末。
（項目５）
前記Ｎ個の他のポートの各ポートは、光学結合器を備える、項目１−４のいずれかに記載の光学送信／受信端末。
（項目６）
複数の光ファイバをさらに備え、前記Ｎ個の他のポートの各ポートは、それぞれ、前記複数の光ファイバの少なくとも１つの光ファイバを介して前記レンズに光学的に結合される、項目１−５のいずれかに記載の光学送信／受信端末。
（項目７）
前記光学スイッチネットワークは、
複数の光学接合部において交差する複数の光学導波管であって、前記複数の光学導波管および前記複数の光学接合部は、ルートと、複数のリーフとを有する、分岐した光学導波管ネットワーク内に配列され、前記ルートは、前記共通入力／出力ポートに結合され、前記複数のリーフの各リーフは、前記Ｎ個の他のポートの個別のポートに結合される、複数の光学導波管と、
複数のバイナリ光学スイッチであって、前記複数のバイナリ光学スイッチの個別の１つのバイナリ光学スイッチは、前記複数の光学接合部の各光学接合部に配置される、複数のバイナリ光学スイッチと、
を備える、前述の項目のいずれかに記載の光学送信／受信端末。
（項目８）
前記分岐した光学導波管ネットワークは、Ｈツリーを備える、項目７に記載の光学送信／受信端末。
（項目９）
前記光学スイッチネットワークは、光チップを備える、項目７に記載の光学送信／受信端末。
（項目１０）
複数の行と、複数の列とを有する、行および列アドレス指定行列をさらに備え、
前記複数のバイナリ光学スイッチの各バイナリ光学スイッチは、
前記複数の行のうちの行に結合され、
前記複数の列のうちの列に結合され、
前記複数の行のうちの前記行および前記複数の列のうちの前記列の両方の上に存在する信号に応答して作動するように構成される、
項目７に記載の光学送信／受信端末。
（項目１１）
前記光学スイッチネットワークは、ｘ−ｙ平面内に存在し、前記光学送信／受信端末はさらに、
前記レンズに機械的に結合され、前記レンズを、前記光学スイッチネットワークに対して、前記ｘ−ｙ平面に平行な平面内に偏移させるように構成される、ｘ−ｙ段
を備える、項目１−１０のいずれかに記載の光学送信／受信端末。
（項目１２）
前記レンズは、ｘ−ｙ平面内に存在し、前記光学送信／受信端末はさらに、
前記光学スイッチネットワークに機械的に結合され、前記光学スイッチネットワークを、前記レンズに対して、前記ｘ−ｙ平面に平行な平面内に偏移させるように構成される、ｘ−ｙ段
を備える、項目１−１１のいずれかに記載の光学送信／受信端末。
（項目１３）
前記レンズおよび前記光学スイッチネットワークに機械的に結合され、前記レンズを、前記光学スイッチネットワーク光学系とともに平面内に偏移させるように構成される、ｘ−ｙ段をさらに備える、項目１−１２のいずれかに記載の光学送信／受信端末。
（項目１４）
前記光学スイッチネットワークは、ｘ−ｙ平面内に存在し、前記光学送信／受信端末はさらに、
前記レンズと前記光学スイッチネットワークとの間に光学的に配置される中間光学系と、
前記中間光学系に機械的に結合され、前記中間光学系を前記ｘ−ｙ平面に平行な平面内に偏移させるように構成される、ｘ−ｙ段と
を備える、項目１−１３のいずれかに記載の光学送信／受信端末。
（項目１５）
前記中間光学系は、小型レンズアレイを備える、項目１４に記載の光学送信／受信端末。
（項目１６）
前記光学スイッチネットワークは、ｘ−ｙ平面内に存在し、
前記レンズは、少なくとも、第１の小型レンズアレイと、前記第１の小型レンズアレイに平行な第２の小型レンズアレイとを備え、前記光学送信／受信端末はさらに、
前記レンズと前記光学スイッチネットワークとの間に光学的に配置される第３の小型レンズアレイと、
前記レンズに機械的に結合され、前記レンズを前記ｘ−ｙ平面に平行な平面内に偏移させるように構成される、ｘ−ｙ段と
を備える、項目１−１５のいずれかに記載の光学送信／受信端末。

本発明は、図面と併せて以下の特定の実施形態の詳細な説明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１は、本発明のある実施形態による、全ソリッドステート光学伝送／受信端末の概略図である。 図２は、本発明のある実施形態による、図１の全ソリッドステート光学伝送／受信端末の光学スイッチネットワークの表面上の複数のポートを図示する、概略図である。 図３は、本発明のある実施形態による、図１および２の光学スイッチネットワークにおける光導波管の「Ｈツリー」配列を図示する、概略図である。 図４は、本発明のある実施形態による、図１−３の光学スイッチネットワークのマッハツェンダー干渉計を伴って実装されるバイナリ光学スイッチを図示する、概略図である。 図５は、本発明のある実施形態による、光学スイッチネットワークの表面上の図２の複数のポートのポートをアドレス指定するための、すなわち、行／列アドレス指定行列による、１つの可能性として考えられる手段を図示する、概略図である。 図６は、本発明のある実施形態による、光学スイッチネットワークの表面上の図２の複数のポートのポートをアドレス指定するための、すなわち、別の行／列アドレス指定行列による、別の可能性として考えられる手段を図示する、概略図である。 図７、８、および９は、本発明の個別の実施形態による、ハイブリッド粗／密位置付け配列を図示する、概略図である。 図７、８、および９は、本発明の個別の実施形態による、ハイブリッド粗／密位置付け配列を図示する、概略図である。 図７、８、および９は、本発明の個別の実施形態による、ハイブリッド粗／密位置付け配列を図示する、概略図である。 図１０は、本発明の別の実施形態による、図２のポート等の複数のポートの間に設置されるレンズアレイと、光学伝送／受信端末を光学的に走査するための集束光学系とを図式的に図示する。 図１１は、本発明の別の実施形態による、収差を回避する等の性能を改良するために使用される、図１０の単一のレンズアレイおよび集束光学系ではなく、一連のレンズアレイを図式的に図示する。 図１２は、本発明のある実施形態による、図３の光学スイッチネットワークに取って代わり得る別の光学スイッチネットワークを図示する、概略図である。 図１３は、先行技術による、Ｓｅｏｋからの図の注釈を付けられた複製である。 図１４は、本発明のある実施形態による、図１２の光学スイッチネットワークのバイナリ光学スイッチの概略上面図である。 図１５は、オフ位置における、図１４のバイナリ光学スイッチの概略側面図である。 図１６は、本発明のある実施形態による、オン位置における、図１４および１５のバイナリ光学スイッチの概略側面図である。 図１７は、本発明のある実施形態による、代表的な寸法を示す、オン位置における、図１４−１６のバイナリ光学スイッチの別の概略側面図である。 図１８および１９は、本発明のある実施形態による、平行移動可能な光学格子をオン位置およびオフ位置に選択的に平行移動させるように構成される静電ＭＥＭＳ構造を示す、オフ位置における、図１４−１７の光学スイッチの個別の概略斜視図および側面図である。 図１８および１９は、本発明のある実施形態による、平行移動可能な光学格子をオン位置およびオフ位置に選択的に平行移動させるように構成される静電ＭＥＭＳ構造を示す、オフ位置における、図１４−１７の光学スイッチの個別の概略斜視図および側面図である。 図２０は、本発明のある実施形態による、オン位置における、図１４−１９の光学スイッチの概略斜視側面図である。 図２１および２２は、本発明のある実施形態による、それぞれ、オン位置およびオフ位置における、図１４−２０の光学スイッチ内のコンピュータモデル化されたＥ場強度対ｚ−ｘ場所の結果を図示する、グラフを含有する。 図２１および２２は、本発明のある実施形態による、それぞれ、オン位置およびオフ位置における、図１４−２０の光学スイッチ内のコンピュータモデル化されたＥ場強度対ｚ−ｘ場所の結果を図示する、グラフを含有する。

本発明の実施形態によると、全ソリッドステート光学伝送／受信端末のための方法および装置が、開示される。そのような端末は、光学ビームを操向するための機械的構成要素またはその付随する多数の位相偏移器を伴うエミッタ／コレクタの位相アレイを要求しない。代わりに、本端末は、光学ビームを操向するための光学スイッチを採用する。しかしながら、光学スイッチの比較的に小さいサブセットのみが、任意の所与の時間において動作され、したがって、給電される必要がある。したがって、本端末は、先行技術と関連付けられる、機械的なエミッタ密度および高電力問題を克服する。

図１は、本発明のある実施形態による、全ソリッドステート光学伝送／受信端末１００の概略図である。レンズ１０２が、光線１０６によって表される入射光線が光学スイッチネットワーク１０４の表面１０７上に合焦されるように、（本明細書では「光導波管ネットワーク」または「光学スイッチ」とも称される）光学スイッチネットワーク１０４に光学的に結合される。逆に、光学スイッチネットワーク１０４の表面１０７において放出される光学信号は、レンズに光学的に結合され、それによって、光線１０６として空間の中に投影される。光は、赤外線（ＩＲ）等の、人間に視認可能または視認不可能であり得る。表面１０７は、平面状の表面または非平面状の表面であってもよい。

レンズ１０２は、好ましくは、広視野レンズである。レンズ１０２は、例えば、屈折率分布（ＧＲＩＮ）レンズ、魚眼レンズ、または単心レンズであってもよい。好適な単心レンズは、Ｄｉｓｔａｎｔ Ｆｏｃｕｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ＰＯ Ｂｏｘ ７８５７， Ｃｈａｍｐａｉｇｎ， ＩＬ ６１８２６−７８５７）から入手可能である。レンズが、平面状の集束された画像を作成する場合、レンズ１０２および光学スイッチネットワーク１０４は、空気または真空１０８によって光学的に結合されてもよい。しかしながら、レンズが湾曲した集束された画像を作成する場合、光ファイバ１０８の束が、レンズ１０２を光学スイッチネットワーク１０４に光学的に結合するために使用されてもよい。光ファイバ１０８の束の各光ファイバの１つの端部が、レンズ１０２の表面上で終端してもよく、光ファイバの他の端部が、光学スイッチネットワーク１０４の表面１０７上で終端してもよい。レンズ１０２の表面上で終端する光ファイバ１０８の端部は、研磨された端部を有し、レンズ１０２の湾曲に合致する湾曲した表面を形成してもよい。

図２は、図１の光学スイッチネットワーク１０４の表面１０７上の、ポート２０２、２０４、２０６、２０８、および２１０によって表される複数のＮ個のポート２００を図示する、概略図である。複数のポート２００は、長方形アレイ内に配置されるものとして示される。しかしながら、ポート２００は、任意の好適な配列内に配列されてもよい。光ファイバ１０８（図１）が、レンズ１０２を光学スイッチネットワーク１０４に結合するために使用される場合、１つ以上の光ファイバ１０８が、各ポート２０２−２１０において終端してもよい。光ファイバ１０８は、レンズ１０２によって投影された画像が複数のポート２００内の対応する場所にマッピングされるように配列されるべきである。したがって、各ポート２０２−２１０は、レンズ１０２の視野の一意の部分に対応する。

図１に戻ると、光学スイッチネットワーク１０４はまた、単一の共通入力／出力ポート１１０を有する。光学スイッチネットワーク１０４は、表面１０７上のＮ個のポート２０２−２１０（図２）のうちの１つ以上のものを共通入力／出力ポート１１０に選択的に光学的に結合するように構成される。したがって、１つのモードにおいて、光学スイッチネットワーク１０４は、Ｎ×１スイッチとして作用する。すなわち、Ｎ個のポート２０２−２１０のうちの１つが、共通入力／出力ポート１１０に結合される。随意に、他のモードにおいて、光学スイッチネットワーク１０４は、複数のＮ×１スイッチとして作用する。すなわち、複数のＮ個のポート２０２−２１０が、共通入力／出力ポート１１０に同時に結合される。

端末１００はまた、フォトダイオード等の好適な光学受信機１１２および／またはレーザ等の好適な伝送機１１４を含む。ＬｉＤＡＲシステムまたは双方向通信システムは、伝送機１１４と、受信機１１２との両方を含む。しかしながら、単方向通信システムは、伝送機１１４または受信機１１２のみを含む必要があり、スタートラッカは、受信機１１２のみを含む必要がある。受信機１１２および／または伝送機１１４は、光ファイバ、鏡、および／または分割器／結合器等の光学結合器１１６によって表される好適な光学結合器によって、共通入力／出力ポート１１０に光学的に結合される。

したがって、伝送機１１４からの光学信号が、光学結合器１１６を介して光学スイッチネットワーク１０４にルーティングされ、そこで、Ｎ個のポート２０２−２１０のうちの選択される１つ以上のものに切り替えられてもよい。いったん光学スイッチ１０７の表面１０７から放出されると、光学信号は、選択されるポート２０２−２１０において終端される光ファイバ１０８等を介して、レンズ１０２に伝達され、次いで、レンズ１０２によって空間の中に伝達される。光学信号がレンズ１０２によって投影される空間における方向は、選択されるポート２０２−２１０に依存する。逆に、ＬｉＤＡＲシステムにおける帰還信号等の、レンズ１０２によって受信される光学信号が、光学スイッチネットワーク１０４によって受信機１１２にルーティングされる。光学信号がレンズ１０２によって受信される空間における方向は、選択されるポート２０２−２１０に依存する。

図３は、本発明のある実施形態による、光学スイッチネットワーク１０４を図示する、概略図である。図３の右側は、共通入力／出力ポート１１０においてルートされた光導波管の「Ｈツリー」配列（分岐した光導波管ネットワーク）を示す。図３の左側は、拡大された右側の一部を示す。ポート２０２−２１０が、図３に示される。

バイナリ光学スイッチは、バイナリ光学スイッチ３００、３０２、３０４、３０６、３０８、および３１０によって例示されるように、Ｈツリーの２つの光導波管の各接合部に配置される。バイナリ光学スイッチは、２つの光学経路のうちのいずれかに沿って光学信号をルーティングする。したがって、バイナリ光学スイッチ３００−３０８は、Ｈツリーを通して進行する光学信号のための道筋を決定する。いくつかの実施形態では、バイナリ光学スイッチは、２つの光学経路のうちの多くとも一方に沿って光学信号をルーティングする。例えば、光学信号が共通入力／出力ポート１１０の中に導入される場合、バイナリ光学スイッチ３００−３０８は、光学信号をＮ個のポート２０２−２１０のうちの１つにルーティングする。図３に描写される実施例では、光学信号は、ポート２０２にルーティングされる。

いくつかの実施形態では、各バイナリ光学スイッチは、マッハツェンダー干渉計を伴って実装される。そのようなバイナリ光学スイッチ４００の実施例が、図４に図式的に図示される。入力部４０２における光が、２つの経路４０４と４０６との間で分割される。位相偏移器４０８および／または４１０は、経路４０４および４０６の一方または両方上で選択的にイネーブルにされ、次いで、光が、２×２型結合器４１２によって再結合される。２つの経路４０４および４０６内の光の相対的位相は、光が、２×２型結合器４１２の第１の出力部４１４または第２の出力部４１６または両方の出力部４１４および４１６に結合するかどうかを決定する。位相偏移器４０８および４１０は、ＭＥＭＳデバイスまたは任意の他の好適な位相偏移器による電気光学または熱光学効果を使用して実装されてもよい。

代替として、バイナリ光学スイッチ３００−３１０は、リング共振器、ＭＥＭＳ鏡等の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス、または任意の他の好適なバイナリ光学スイッチを伴って実装されてもよい。

光学スイッチネットワーク１０４は、Ｈツリーパターン内に配列されるバイナリ光学スイッチ３００−３１０のネスト化されたアレイを含む。アレイのネスト化された性質は、バイナリ光学スイッチ３００−３１０のＬ個の層が２^Ｌ個の可能性として考えられるポート２００の間で選択するために使用され得ることを意味する。したがって、アクティブなバイナリ光学スイッチの数は、Ｎの代わりに、ｌｏｇ２（Ｎ）である（但し、Ｎは、ポート２００（可能性として考えられるビーム方向）の数である）。

図３に見られ得るように、光学信号を共通入力／出力ポート１１０から選択されるポート２０２にルーティングするために、Ｈツリーにおけるリーフの数、すなわち、ポート２００の数と比較して、比較的に少数のバイナリ光学スイッチ３００−３１０が、動作される、すなわち、オンである必要がある。例えば、図３の左側では、６個のスイッチ、すなわち、３個の左／右バイナリ光学スイッチ３００、３０４、および３０８、および３個の上／下バイナリ光学スイッチ３０２、３０６、および３１０が、６４個の可能性として考えられるポート２００のうちのいずれかの選択を可能にする。大部分の実施形態では、所与のレベルの１つのスイッチのみが、一度に動作される。本少数のスイッチが、したがって、匹敵する光学位相アレイ内の位相偏移器よりはるかに少ないエネルギーを消費する。加えて、バイナリ光学スイッチ３００−３１０は、単に、双レベル状態において動作する必要があるのに対し、位相アレイは、操向のために位相偏移器の任意制御を必要とする。さらに、これらの実施形態は、広帯域光に好適であり、複数のチャネルが波長分割多重を使用して一度に送信および／または受信されることを可能にする。

光学スイッチネットワーク１０４は、光導波管のＨツリー配列を含むものとして説明されるが、バイナリ光学スイッチのネスト化されたアレイを提供する、任意の好適な分岐した光導波管ネットワークもまた、使用され得る。例えば、他のフラクタル配列および非フラクタル配列もまた、使用され得る。本明細書で使用されるように、「フラクタル」は、異なる縮尺を横断する自己相似を意味する。本明細書で使用されるように、フラクタルパターンは、際限なく複雑ではない。
（バイナリ光学スイッチのアドレス指定）

バイナリ光学スイッチ３００−３１０は、図５に図式的に示されるように、行および列アドレス指定行列５００等の任意の好適な配列によってアドレス指定および／または作動されてもよい。各バイナリ光学スイッチ３００−３１０は、バイナリ光学スイッチが電気的に結合される、個別の２入力部ＡＮＤゲートによって作動されてもよい。ＡＮＤゲートは、バイナリ光学スイッチ３００−３１０のパターンと位置合わせするパターン内に配列されてもよい。ＡＮＤゲート５０２、５０４、５０６、５０８、５１０、および５１２によって表される図５のＡＮＤゲートは、図３のバイナリ光学スイッチ３００−３１０と位置合わせする。ＡＮＤゲート５０２は、バイナリ光学スイッチ３００と位置合わせし、ＡＮＤゲート５０４は、バイナリ光学スイッチ３０２と位置合わせする等となる。

各ＡＮＤゲートは、行ワイヤ５１４、５１６、および５１８および列ワイヤ５２０、５２２、および５２４によって表される、対応する行ワイヤおよび対応する列ワイヤの交点に配置される。各ＡＮＤゲートの１つの入力部が、ＡＮＤゲートの対応する行ワイヤに電気的に結合され、ＡＮＤゲートの他の入力部が、ＡＮＤゲートの対応する列ワイヤに電気的に結合される。したがって、１つの行上の論理「１」（真）信号および１つの列上の論理「１」（真）信号は、ＡＮＤゲートのうちの１つを一意にイネーブルにし、イネーブルにされたＡＮＤゲートは、個別のバイナリ光学スイッチを作動させる。

いったん作動されると、バイナリ光学スイッチは、所定量の時間にわたって作動されたままであり得る。随意に、または代替として、いったん作動されると、バイナリ光学スイッチは、バイナリ光学スイッチがリセット信号を受信するまで作動されたままであり得る。リセットライン（図示せず）が、バイナリ光学スイッチ３００−３１０の全てへと延在し、作動されたバイナリ光学スイッチ３００−３１０の全ての同時リセットを促進してもよい。バイナリ光学スイッチのリセットは、下記により詳細に議論される。

行および列アドレス指定行列５００は、共通入力／出力ポート１１０とＮ個のポート２００の選択されるポートとの間のＨツリーを通して、所望される光学経路に沿って存在するバイナリ光学スイッチ３００−３１０のうちの選択されるものを連続的に作動させるために使用されてもよい。すなわち、行および列アドレス指定行列５００が、使用され、バイナリ光学スイッチ３００−３１０の第１のものを作動させ、次いで、第１のバイナリ光学スイッチがリセットする前に、行および列アドレス指定行列５００が、使用され、Ｈツリーを通して所望される光学経路に沿って存在する、選択されるバイナリ光学スイッチ３００−３１０の全てが作動されるまで、バイナリ光学スイッチ３００−３１０のうちの第２の（異なる）もの等を作動させてもよい。

各作動されたバイナリ光学スイッチは、光を指向する方向に関する命令を受信する必要がある。この目的のために、各バイナリ光学スイッチ３００−３１０はまた、付加的な類似した行および列アドレス指定行列（図示せず）に結合されてもよい、または行および列行列５００は、時分割多重方式における付加的な行列としての役割を果たしてもよい。付加的な類似した行および列アドレス指定行列は、共通入力／出力ポート１１０からの光学信号を選択されるポート２０２にルーティングするために、光を１つの方向、例えば、「左」に指向するべき各作動されたバイナリ光学スイッチに信号を送信するために使用されてもよい。本「左」信号を受信しない作動されたバイナリ光学スイッチは、それらが光を反対方向、例えば、「右」に指向することになると考えて差し支えない。

作動されたバイナリ光学スイッチが、それらの個別のコマンドされた方向に切り替えるための時間を経た後、共通入力／出力ポート１１０が、選択されるポート２０２と光学通信し、受信機１１２および／または伝送機１１４が、動作してもよい。受信機１１２および／または伝送機１１４は、一定の時間周期にわたって、または異なる方向の光線１０６が必要とされるまで動作してもよい。

伝送および／または受信が完了した後、または所定の時間周期の後等、光学スイッチネットワーク１０４を通した異なる光経路が必要とされるとき、または異なる方向の光線１０６が必要とされるとき、バイナリ光学スイッチ３００−３１０が、リセットされる。記載されるように、バイナリ光学スイッチは、光学スイッチネットワーク１０４を通した所望される光学経路を確立し、光学信号を送信および／または受信するために必要とされるバイナリ光学スイッチの全てを作動させるために十分な量の時間等の所定の量の時間にわたって、作動されたままであってもよい。随意に、または代替として、作動されたバイナリ光学スイッチは、上記に説明されるリセット信号によってリセットされてもよい。

別の好適なそのような行および列アドレス指定行列６００が、図６に図式的に示されるが、単純化のために、行列６００は、正方形の行列として示される。行列６００の行は、行６０２、６０４、および６０６によって例示され、行列６００の列は、列６０８、６１０、および６１２によって例示される。トランジスタ６１４、６１６、および６１８によって第１の行６０２内に表される個別のトランジスタは、第１の行６０２を列６０８−６１２に選択的に電気的に結合する。電圧が、第１の行６０２に印加され、それによって、電流を第１の行６０２内に流動するように利用可能にする。したがって、囲繞する円によって示されるようなオンであるトランジスタ６１８等の第１の行のトランジスタは、電流を、太矢印６２０によって示されるような選択される列、この場合、列６１２に指向する。

各列において、個別のトランジスタは、列を、対応するバイナリ光学スイッチ（図６に図示せず）に結合させる。囲繞する円によって示されるようなオンであるトランジスタ６２２等の、給電された列６１２におけるトランジスタは、電気的に結合され、電流を、その対応するバイナリ光学スイッチに指向し、それによって、バイナリ光学スイッチをアクティブ化する。

代替として、アドレス指定を容易にするために、トランジスタの行５０２−５０６全体が、追加のトラジスタをオンにするために使用される追加の電力以外の本デバイス動作に影響を及ぼすことなく、同時にオンにされることができる。トランジスタは、直接的に、または、例えば、シフト演算子の使用によってアクティブ化されることができる。

図１に戻ると、レンズ１０２は、全ソリッドステート光学伝送／受信端末１００の、位相偏移要素の数から開口のサイズを結合解除することによって、非常に大きい有効口径面積、したがって、電力消費量を可能にする。２次元または３次元空間におけるビームの出力を制御するための平面チップにおける光学スイッチネットワーク内でバイナリ光学スイッチを使用することが、本開示の新規の側面を表す。同様に、そのようなチップからビームを外に指向するためにレンズ１０２を使用することもまた、本開示の新規の側面を表す。
（粗密ハイブリッド）

いくつかの用途は、広い視野にわたる光ビームの非常に細かい位置付けを要求する。５０万個もの１つの部品を各方向に位置付けることの要件は、前代未聞である。上記に説明されるような実施形態に別の位置付けスキームを追加するハイブリッドアプローチは、そのような大きいダイナミックレンジを達成することができる。本ハイブリッドアプローチは、広い視野にわたる細かい位置付けの問題を、２つの別個の問題、すなわち、粗い位置付け制御の１つのものと、細かい位置付け制御の他のものとに分割する。

一実施形態では、粗い位置付け制御は、光学伝送／受信端末１００を使用して、すなわち、上記に説明されるような光学スイッチネットワークを使用して達成され得、細かい制御は、図７に図式的に図示されるように、レンズ１０２を光学スイッチネットワーク１０４に対して物理的に偏移させることによって、または図１７に図式的に図示されるように、光学スイッチネットワーク１０４をレンズ１０２に対して物理的に偏移させることによって達成され得る。例えば、図７に示されるように、レンズ１０２は、ｘ−ｙ段７００上に搭載されてもよい、または図１７に示されるように、光学スイッチネットワーク１０４は、ｘ−ｙ段８００上に搭載されてもよい。代替として、図９に図式的に示されるように、粗い制御は、ｘ−ｙ段９００等によって光学スイッチネットワーク１０４とともにレンズ１０２を物理的に偏移することによって達成され得、光学伝送／受信端末１００内の光学スイッチネットワークは、細かく急速なビーム移動を達成するために使用されてもよい。

代替として、図１０に図式的に図示されるように、小型レンズアレイ等の中間光学系１０００が、レンズ１０２と光学スイッチネットワーク１０４のポート２００との間に光学的に配置されてもよく、中間光学系１０００は、ｘ−ｙ段（図示せず）等によって物理的に偏移されてもよい。小型レンズアレイは、ポート２００のポート毎に１つの小型レンズを含んでもよい。小型レンズ１００２によって表される、小型レンズアレイの各小型レンズは、その偏移されていない位置において、ポート２００のポート１００４によって表される、対応するポートの中心上に位置合わせするはずである。

例えば、矢印１００６によって示されるような中間光学系１０００の偏移は、ポート１００４とレンズ１０２との間の光ビームを矢印１００８によって示されるように偏移させ、これは、レンズ１０２によって放出または受光される光ビームを、矢印１０１０によって示されるように、自由空間にまたはそこから偏移させる。中間光学系１０００は、走査され、それによって、ラスタ走査を実施する等のために光線１０６を走査してもよい。

中間光学系１０００として使用される小型レンズの単一のアレイが、転向角において限定され得、収差をもたらし得る。図１１に図式的に示されるような小型レンズアレイ１１００、１１０２、および１１０４によって例示される小型レンズのいくつかのアレイが、光学スイッチネットワーク１０４に続いて直列に配置され、これらの課題を克服し得る。この場合、レンズ１０２は、光学スイッチネットワーク１０４から最も遠くに光学的に配置される、小型レンズアレイ１１０２および１１０４等の小型レンズアレイのうちの１つ以上のものによって置換されてもよい。小型レンズアレイ１１００−１１０２のうちの２つ以上のものが、個別のｘ−ｙ段（図示せず）等によって別個に、光線１０６を偏移させるまたは走査するように物理的に偏移されてもよい。図１１に示される実施形態では、最後の２つの小型レンズアレイ１１０２および１１０４が、単一のｘ−ｙ段等によってともに偏移される。

代替として、中間光学系１０００は、ｘ−ｙ段等によって偏移可能であって、かつその偏移範囲全体を通して、光学スイッチネットワーク１０４のポート２００の全てとレンズ１０２との間の場の全体を光学的に包含するために十分に大きい、単一の大きいレンズ（図示せず）を含んでもよい。
（複数のビーム）

上記に説明される実施形態では、バイナリ光学スイッチ３００−３１０が、１つの経路または別のものを辿って光を完全に指向する。他の実施形態では、いくつかまたは全てのバイナリ光学スイッチが、Ｈツリーを通して１つを上回る経路の間で光を均一または任意に分割し、複数のビーム１０６を異なる方向に同時に指向することを可能にする。各レベルにおける複数のスイッチが、アドレス指定される必要があるため、これを達成するために、好適な変更が、本明細書に説明されるバイナリ光学スイッチおよびアドレス指定スキームに行われる。
（導波管の内部および外部に光を選択的に結合するための統合ＭＥＭＳスイッチ）

バイナリ光学スイッチ３００−３１０が加工され得る密度に対する限定が、伝送／受信端末１００の空間分解能、すなわち、可能性として考えられる伝送または受信ビーム位置の密度を限定し得る。図１２は、本発明の別の実施形態による、光学スイッチネットワーク１０４（図１）に取って代わり得る光学スイッチネットワーク１２００を図示する、概略図である。光学スイッチネットワーク１２００は、上記に説明される光学スイッチネットワーク１０４より高いスイッチ密度を提供し得る。本実施形態では、光学スイッチネットワークは、光学ビームを操向するために、ＭＥＭＳベースのバイナリ光学スイッチを採用する。

ＭＥＭＳベースのバイナリ光学スイッチは、Ｈツリーベースのバイナリ光学スイッチ３００−３１０より有意に小さくあり得る。その結果、ＭＥＭＳベースのバイナリ光学スイッチは、先行技術におけるものより高い密度で加工または充塞され、伝送／受信端末のより高い空間分解能、すなわち、可能性として考えられる伝送／受信ビーム位置の密度を提供し得る。全ソリッドステート光学伝送／受信端末１００と同様に、ＭＥＭＳベースのスイッチの比較的に小さいサブセットが、任意の所与の時間において動作され、したがって、給電される必要がある。したがって、光学スイッチネットワーク１２００を含む端末は、先行技術と関連付けられる、機械的なスイッチ密度、エミッタ密度、および高電力問題を克服する。

光学スイッチネットワーク１２００は、共通入力／出力ポート１２０２を含む。光は、両矢印１２０４によって示されるように、共通入力／出力ポート１２０２に進入および／またはそれから退出し得る。共通入力／出力ポート１２０２は、第１の光導波管１２０６に光学的に結合される。光学スイッチネットワーク１２００はまた、光導波管１２０８、１２１０、１２１２、１２１４、および１２１６によって表される、複数の第２の光導波管を含む。各第２の光導波管１２０８−１２１６は、第１のバイナリ光学スイッチ１２１８、１２２０、１２２２、１２２４、および１２２６によって表される、個別の第１のバイナリ光学スイッチを介して、第１の光導波管１２０６に光学的に結合される。

いくつかの実施形態では、各第１のバイナリ光学スイッチ１２１８−１２２６が、単極双投（ＳＰＤＴ）スイッチとして作用する。したがって、光が共通入力／出力ポート１２０２に進入すると仮定して、第１のバイナリ光学スイッチ１２１８は、光が第１の光導波管１２０６に沿って継続することを可能にするか、または光を第２の光導波管１２０８に転向させるかのいずれか一方を選択的に行うが、両方は行わない。したがって、集合的に、第１のバイナリ光学スイッチ１２１８−１２２６は、光がどの第２の光導波管１２０８−１２１６に転向されるかを制御する。同様に、集合的に、第１のバイナリ光学スイッチ１２１８−１２２６は、受信モードにおいて、光が、どの第２の光導波管１２０８−１２１６から第１の光導波管１２０６に、そしてそこから共通入力／出力ポート１２０２にルーティングされるかを制御する。５個の第２の光導波管１２０８−１２１６および５個の第１のバイナリ光学スイッチ１２１８−１２２６が示されるが、任意の好適な数の第２の導波管および第１のバイナリ光学スイッチが、含まれてもよい。

第２のバイナリ光学スイッチ１２２８、１２３０、１２３２、１２３４、１２３６、１２３８、１２４０、および１２４２によって表される、個別の複数の第２のバイナリ光学スイッチが、各第２の光導波管１２０８−１２１６に光学的に結合される。例えば、第２のバイナリ光学スイッチ１２２８−１２３２が、第２の光導波管１２０８に光学的に結合される。各第２のバイナリ光学スイッチ１２２８−１２４２が、個別の第２の光導波管１２０８、１２１０、１２１２、１２１４、または１２１６を自由空間に選択的に光学的に結合してもよい。第２のバイナリ光学スイッチ１２２８−１２４２が、第２の光導波管１２０８−１２１６とＮ個のポート２０２−２１０（図２）との間で結合されてもよい、または各第２のバイナリ光学スイッチ１２２８−１２４２が、Ｎ個のポート２０２−２１０のうちの１つの一部または全体を形成してもよい。

いくつかの実施形態では、各第２のバイナリ光学スイッチ１２２８−１２４２が、単極双投（ＳＰＤＴ）スイッチとして作用する。したがって、光が共通入力／出力ポート１２０２に進入し、破線１２４４によって示されるように、第１のバイナリ光学スイッチ１２２２によって第２の光導波管１２１２にルーティングされると仮定して、第２のバイナリ光学スイッチ１２３８が、光が第２の光導波管１２１２に沿って継続することを可能にするか、または光を、両矢印１２４６によって示されるように、第２の光導波管１２１２から外に転向させるかのいずれか一方を選択的に行う。両矢印１２４６は、図面の平面から外に延在する。したがって、集合的に、第２のバイナリ光学スイッチ１２２８−１２４２は、光が、Ｎ個のポート２０２−２１０のうちのどのポートに転向されるかを制御する。同様に、集合的に、第２のバイナリ光学スイッチ１２２８−１２４２は、受信モードにおいて、光が、Ｎ個のポート２０２−２１０のうちのどのポートから第１の光導波管１２０６に、そしてそこから共通入力／出力ポート１２０２にルーティングされるかを制御する。

１４個の第２のバイナリ光学スイッチが、各第２の光導波管１２０８−１２１６に結合されて示されるが、任意の数の第２のバイナリ光学スイッチが、含まれてもよい。第２の光導波管３２２−１２４２の全てが、等しい数の第２のバイナリ光学スイッチ１２２８−１２４２を有する必要はない。

各第１および第２のバイナリ光学スイッチ１２１８−１２２６および１２２８−１２４２が、バイナリであり、すなわち、厳密に２つの位置または状態を有する、オン／オフまたは他のスイッチである。したがって、第１および第２のバイナリ光学スイッチ１２１８−１２２６および１２２８−１２４２は、例えば、破線１２４４によって例示されるように、共通入力／出力ポート１２０２とＮ個のポート２０２−２１０のうちの選択されるポートとの間のスイッチアレイ１２００を通して進行する光学信号のための光学経路を決定する。

各第１のバイナリ光学スイッチ１２１８−１２２６は、任意の好適な光学スイッチによって実装されてもよい。いくつかの実施形態では、各第１のバイナリ光学スイッチ１２１８−１２２６は、ＭＥＭＳによって作動される断熱性光学結合器の対によって実装される。そのようなスイッチセルが、２０１６年１月のＴａｅ Ｊｏｏｎ Ｓｅｏｋ， ｅｔ ａｌ．の「Ｌａｒｇｅ−ｓｃａｌｅ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｌｉｃｏｎ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｓｗｉｔｃｈｅｓ ｗｉｔｈ ｖｅｒｔｉｃａｌ ａｄｉａｂａｔｉｃ ｃｏｕｐｌｅｒｓ」Ｏｐｔｉｃａ， Ｖｏｌ． ３， Ｎｏ． １， ｐｐ． ６４−７０（「Ｓｅｏｋ」）およびＴａｅ Ｊｏｏｎ Ｓｅｏｋ， ｅｔ ａｌ．の「Ｌａｒｇｅ−ｓｃａｌｅ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｌｉｃｏｎ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｓｗｉｔｃｈｅｓ ｗｉｔｈ ｖｅｒｔｉｃａｌ ａｄｉａｂａｔｉｃ ｃｏｕｐｌｅｒｓ： ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔａｌ ｍａｔｅｒｉａｌ」（「Ｓｅｏｋ補遺」）（その内容全体は、全ての目的のために、参照することによって本明細書によって本明細書に組み込まれる）において説明される。各第１のバイナリ光学スイッチ１２１８−１２２６は、２つの光導波管を使用して実装されてもよい。しかしながら、Ｓｅｏｋにおいて説明されるものとは異なり、２つの導波管は、交差する必要はなく、スイッチの主要部のみが、類似している。ＭＥＭＳによって作動される断熱性結合器の対を含むスイッチ要素は、２つの光導波管の間に光学的に配置されてもよい。例えば、Ｓｅｏｋの（本願において、図１３として注釈を伴って複製される）図１を参照されたい。

オフ状態（図１３ｃ）では、断熱性結合器１３００および１３０２によって例示される断熱性結合器が、光導波管１３０６および１３０８によって例示される、光導波管の約１μｍ上方等、十分に離れて位置１３０４し、したがって、光が、他の導波管１３０８に感知できるように結合することなく、（「スルー」によって示されるように）導波管１３０６のうちの１つに沿って伝搬し続ける。しかしながら、オン状態（図１３ｄ）では、断熱性結合器１３００および１３０２が、ＭＥＭＳ静電ギャップ閉鎖アクチュエータによって導波管１３０６および１３０８に向かって物理的に移動され、光は、したがって、導波管１３０６のうちの１つから断熱性結合器１３００のうちの１つの中へ、そして（「ドロップ」によって示されるように）他の断熱性の結合器１３０２と他の導波管１３０８との間で効率的に結合される。

代替として、各第１のバイナリ光学スイッチ１２１８−１２２６（図１２）は、図４に関して上記で議論されるように、例えば、熱位相偏移器を伴う標準的なマッハツェンダー干渉計タイプスイッチを使用して実装されてもよい。

記載されるように、光学スイッチネットワーク１０４の表面１０７（図１）は、Ｎ個のポート２０２−２１０を有し、レンズ１０２は、入射光線１０６をＮ個のポート２０２−２１０上に合焦させ、および／またはレンズ１０２は、Ｎ個のポート２０２−２１０の任意のサブセットを介して放出される光学信号を空間の中に投影する。光学格子は、両矢印１２４６（図１２）によって示されるように、第２の光導波管１２０８−１２１６の平面から外に光を放出する、または第２の光導波管１２０８−１２１６の中に面外の光を結合するための効率的なデバイスである。光学格子は、異なる第２の屈折率を有する領域が散在される第１の屈折率を有する複数の領域を画定する、空間的に周期的な構造である。空間周期は、着目波長に基づいて選択される。ある場合には、周期的な溝が、材料内で画定される。他の場合では、異なる屈折率を有する２つの異なる材料が、互い違いにされる。説明の単純化のために、用語「溝」は、実際の溝、すなわち、空所、または光学格子の２つの互い違いにされた材料のうちの１つを表すために本明細書において使用される。

そのような光学格子は、表面１０７（図１）またはその近傍に配置されてもよい。各第２のバイナリ光学スイッチ１２２８−１２４２（図１２）は、そのような光学格子を含んでもよい。特に、各第２のバイナリ光学スイッチ１２２８−１２４２は、物理的に平行移動可能な光学格子、すなわち、少なくとも２つの位置の間で物理的に平行移動するように構成される光学格子によって実装されてもよい。第１の（「オン」）位置では、光学格子は、ある着目波長において、少なくとも約２５％の結合効率を伴って第２の光導波管に光学的に結合するように、第２の光導波管１２０８−１２１６のうちの１つに十分に近接している。第２の（「オフ」）位置では、光学格子は、ある着目波長において、多くとも約５％、好ましくは、１％未満の結合効率を伴って第２の光導波管に光学的に結合するように、第２の光導波管から十分に離れている。図１２は、第２のバイナリ光学スイッチ１２２８−１２４２のうちの３つを拡大された状態で１２４４に示す。

各第２のバイナリ光学スイッチ１２２８−１２４２は、平行移動可能な光学格子をオン位置およびオフ位置に選択的に平行移動させるように構成される、ＭＥＭＳ構造を含んでもよい。図１４は、第２のバイナリ光学スイッチ１２２８−１２４２のうちの１つのバイナリ光学スイッチ１４００の概略上面図である。バイナリ光学スイッチ１４００は、平行移動可能な格子１４０２を含む。平行移動可能な格子１４０２は、複数の平行または略平行な周期的な溝を画定する。溝は、壁１４０４、１４０６、および１４０８によって表される壁によって分離される。記載されるように、溝および壁は、異なる屈折率を有する個別の材料によって実装されてもよい。壁１４０４−１４０８は、従来の半導体加工技法を使用して、シリコン、窒化ケイ素、または別の好適な材料から作製されてもよい。溝は、空所である、または壁１４０４−１４０８と異なる好適な材料から作製されてもよい。平行移動可能な格子１４０２が、６つの壁１４０４−１４０８を伴って示されるが、任意の好適な数の壁および／または溝が、使用されてもよい。平行移動可能な格子１４０２が、第２の光導波管１４１０、すなわち、第２の光導波管１２０８−１２１６（図１２）のうちの１つの上方に配置される。

図１５は、オフ位置における、バイナリ光学スイッチ１４００の概略側面図である。オフ位置では、平行移動可能な光学格子１４０２が、多くとも約５％、好ましくは、１％未満、そしていくつかの実施形態では、０．１％未満の結合効率を伴って、第２の光導波管１４１０に光学的に結合するために十分である、第２の光導波管１４１０からの距離１５００をおいて配置される。いくつかの実施形態では、距離１５００は、約１μｍ（１，０００ｎｍ）である。いくつかの実施形態では、距離１５００は、約８００ｎｍであってもよい。いくつかの実施形態では、距離１５００は、約２５０ｎｍであってもよい。オフ位置では、第２の光導波管１４１０内の大部分または実質的に全ての光１５０２が、矢印１５０４によって示されるように、第２の光導波管１４１０に沿って継続する。同様に、自由空間から光学格子１４０２を介して第２の光導波管１４１０の中に結合する光は、非常に少ない、または実質的に存在しない。

第２の光導波管１４１０が、従来の半導体加工技法を使用して、シリコンまたは窒化ケイ素ウエハ等の好適な半導体ウエハ上に加工されてもよい。第２の光導波管１４１０は、好適な酸化物または他の不動態化層１５０６上に加工されてもよい。

図１６は、オン位置における、バイナリ光学スイッチ１４００の概略側面図である。オン位置では、平行移動可能な光学格子１４０２が、少なくとも約２５％の結合効率を伴って第２の光導波管１４１０に光学的に結合するために十分である、第２の光導波管１４１０からの距離１６００をおいて配置される。いくつかの実施形態では、距離１６００は、約１０〜５０ｎｍである。オン位置では、第２の光導波管１４１０内のより多く、大部分、または実質的に全ての光１５０２が、矢印１６０２によって示されるように、平行移動可能な光学格子１４０２によって自由空間の中に放出される。同様に、自由空間からの好適なモードのより多く、大部分、または実質的に全ての光が、光学格子１４０２を介して第２の光導波管１４１０の中に結合する。

図１７は、本発明のある実施形態による、代表的な寸法を示す、オン位置におけるバイナリ光学スイッチ１４００の別の概略側面図である。平行移動可能な格子１４０２が、第２の光導波管１４１０から約２０ｎｍの距離（Ｄ）をおいて配置される。第２の光導波管１４１０は、約１５０ｎｍの厚さ（Ｔ）のシリコン・オン・オキサイド基板１５０６である。入力光ビーム１５０２は、約２．５μｍの半径を伴うガウスビームである。平行移動可能な格子１４０２は、約５０ｎｍの厚さ（Ｈ）を有する。平行移動可能な格子１４０２は、約５８０ｎｍの溝周期（Λ）を有する。光の他の波長の溝周期（Λ）を変更する等の適切な修正が、当業者によって公知であろうように、成され得る。

図１４−１６に関して議論されるように、各第２の光学スイッチ１２２８−１２４２は、平行移動可能な光学格子１４０２をオン位置およびオフ位置に選択的に平行移動させるように構成される、ＭＥＭＳ構造を含んでもよい。図１８および１９は、平行移動可能な光学格子１４００をオン位置およびオフ位置に選択的に平行移動させるように構成される静電ＭＥＭＳ構造１８００を示す、オフ位置における光学スイッチ１４００の個別の概略斜視図および側面図である。図２０は、オン位置における光学スイッチ１４００の概略斜視側面図である。平行移動可能な光学格子１４０２が、破線の楕円１８０２内に示されている。

平行移動可能な光学格子１４０２は、ブリッジ１８０４の一部である。ブリッジ１８０４は、基板１５０６から離間され、かつその上方に配置される。基板１５０６は、埋設された酸化物層１９００（図１９および２０）を含んでもよい。ブリッジ１８０４は、個別のピア１８０８および１８１０によって支持される。第２の光導波管１４１０は、平行移動可能な光学格子１４０２の下の基板１５０６内またはその上に配置される。

ブリッジ１８０４は、２つの第１の静電作動電極１８１２および１８１４を含む。２つの対応する第２の静電作動電極１８１６および１８１８は、２つの第１の作動電極１８１２および１８１４が、それぞれ、２つの第２の作動電極１８１６および１８１８にわたって位置合わせするように、基板１５０６上に配置される。ブリッジ１８０４はまた、２つの撓曲部１８２０および１８２２を含む。

したがって、電位２０００が、図２０に図式的に示されるように、第１および第２の作動電極１８１２−１８１４および１８１６−１８１８を横断して印加される場合、結果として生じる静電力が、第１の作動電極１８１２−１８１４および平行移動可能な光学格子１４０２を基板１５０６に向かって押勢し、それによって、平行移動可能な光学格子１４０２を、光学スイッチ１４００をオンにするために適切な第２の光導波管１４１０の距離内にもたらす。そのような電位および結果として生じる静電力がない場合、撓曲部１８２０および１８２２が、平行移動可能な光学格子１４０２をオフ位置に戻す。ボス１９０２（図１９）が、平行移動可能な光学格子１４０２の進行距離を限定するために、オン位置内に含まれてもよい。ＭＥＭＳ構造１８００の他の側面は、ＳｅｏｋおよびＳｅｏｋ補遺において説明されるＭＥＭＳ構造に類似する。

図２１および２２は、それぞれ、オン位置およびオフ位置における、光学スイッチ１４００内のコンピュータモデル化されたＥ場強度対ｚ−ｘ場所の結果を図示する、グラフ２１００および２２００を含有する。両方のプロットにおいて、第２の光導波管１４１０は、垂直であり、光は、矢印２１０２によって示されるように、第２の光導波管１４１０を辿って進行する。図２１では、平行移動可能な格子１４０２の中に結合し、スイッチ１４００から退出する光が、矢印２１０４によって示されている。両方のプロット２１００および２２００において、光の波長は、１．５〜１．６μｍであり、Ｅ場強度は、色分け（２１０６）されている。プロット２１００（光学スイッチ１４００は、オンである）に関して、平行移動可能な格子１４０２が、第２の光導波管１４１０から２０ｎｍおいて配置されているのに対し、プロット２２００（光学スイッチ１４００は、オフである）に関して、平行移動可能な格子１４０２は、第２の光導波管１４１０から２５０ｎｍおいて配置される。

図１２に見られるように、１つずつ等の比較的に少数の第１および第２の光学スイッチ１２１８−１２２６および１２２８−１２４２が、動作され、すなわち、オンにされ、光学信号を共通入力／出力ポート１２０２から選択されるポート１２３８にルーティングする必要がある。本少数のスイッチは、したがって、匹敵する光学位相アレイ内の位相偏移器よりはるかに少ないエネルギーを消費する。加えて、ＭＥＭＳベースの第１および第２の光学スイッチ１２１８−１２２６および１２２８−１２４２は、より小さくあり得、したがって、Ｈツリーの位相偏移器またはバイナリ光学スイッチより高い密度で加工または充塞されてもよい。

説明される実施形態では、第１および第２の光学スイッチ１２１８−１２２６および１２２８−１２４２が、１つの経路または別のものを辿って光を完全に指向する。他の実施形態では、光学スイッチネットワーク１２００（図１２）が、それぞれがＮ個のポート２０２−２１０の非重複サブセットを独立して動作させ、それぞれがそれを取り扱う、複数の光学スイッチネットワークに分割される。これは、光学伝送／受信端末１００（図１）内に複数の光学スイッチ１０４を含むことに類似する。複数の光学スイッチネットワーク１０４または分割された光学スイッチネットワーク１０４は、複数の種々の光線１０６を取り扱うことができる、すなわち、各光線１０６は、空間内の異なる方向に指向される。

本明細書で使用されるように、「光学結合器」は、自由空間内を進行する光学信号と、光ファイバまたは中実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。いくつかの実施形態では、図２および１２を参照して議論されるポート２００が、光学結合器を伴って実装されてもよい。光導波管が自由空間伝搬の所望される方向に対して垂直に延在する実施形態では、光学結合器は、この方向の変化を促進するはずである。光学結合器の実施例は、小型格子と、導波管内に加工されたプリズムと、ウエハ内にエッチングされ、鏡として使用されるファセットとを含む。光学アンテナは、自由伝搬光学放射線を局所的エネルギーに効率的に変換し、そして逆もまた同様に効率的に変換するように設計されたデバイスである。光学アンテナは、Ｐａｌａｓｈ Ｂｈａｒａｄｗａｊ， ｅｔ ａｌ．の「Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｎｔｅｎｎａｓ」， Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ １．３ （２００９年）， ｐｐ． ４３８−４８３（その内容全体は、あらゆる目的のために、参照することによって本明細書によって本明細書に組み込まれる）によって説明される。

いくつかの実施形態では、光学スイッチネットワーク１０４または１２００は、シリコンウエハ等の光チップ上に実装されてもよい。「ウエハ」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、地表面は、ウエハの意味に該当しない。光チップは、基板を提供し、光チップは、基板の厚さ以内の光導波管を提供するように加工され得る。光導波管は、着目波長において光透過性であるガラスまたは別の材料から作製されてもよい。光導波管は、中実であり得る、または基板の厚さ内のボアによって画定され、部分的に真空状態である、または空気または乾燥窒素等のガスで充填される、中空等の中空であり得る。光導波管は、導波管の光学媒体の屈折率および光導波管を囲繞する基板または他の材料の屈折率における差異によって画定されてもよい。光チップは、従来のＣＭＯＳプロセス等の従来の半導体加工プロセスを使用して加工されてもよい。

光学スイッチネットワーク１０４または１２００の動作が所望される波長に応じて、適切な材料が、使用されるべきである。例えば、受動導波管は、そのＣＭＯＳ加工プロセスとの適合性および高屈折率コントラストのため、種々の周知の材料、好ましくは、窒化シリコンから作製されることができる。受動導波管のための代替材料は、ドープシリカまたはポリマーを含む。活物質は、ＧａＮ、ＡｌＮ、およびあるポリマーを含む。

本明細書で使用されるように、「光」は、約１００ｎｍ〜約１ｍｍの波長を有する電磁放射線を意味する。

本発明は、上記に説明される例示的実施形態を通して説明されるが、図示される実施形態への修正およびその変形例が、本明細に開示される発明の概念から逸脱することなく成され得る。例えば、寸法および材料等の具体的なパラメータ値が、本発明の範囲内で開示される実施形態に関連して列挙され得るが、全てのパラメータの値が、異なる用途に適するように幅広い範囲にわたって変動し得る。文脈において別様に示される、または当業者によって別様に理解されない限り、「約」等の用語は、±２０％を意味する。

請求項を含め、本明細書に使用されるように、請求項を含め、項目の列挙に関連して使用される用語「および／または」は、列挙における項目のうちの１つ以上のもの、すなわち、列挙における項目のうちの少なくとも１つを意味し、必ずしも列挙における項目の全てを意味するわけではない。請求項を含め、本明細書に使用されるように、項目の列挙に関連して使用される用語「または」は、列挙における項目のうちの１つ以上のもの、すなわち、列挙における項目のうちの少なくとも１つを意味し、必ずしも列挙における項目の全てを意味するわけではない。「または」は、「排他的または」を意味するものではない。

請求項を含め、本明細書に使用されるように、ある動作「または」別の動作を実施するように構成されているものとして説明される要素は、その動作のうちの１つのみを実施するように構成される要素によって充足される。すなわち、その要素は、その動作のうちの１つを実施する１つのモードおよび他の動作を実施する別のモードで動作するように構成される必要はない。その要素は、その動作のうちの１つを上回るものを実施するように構成されてもよいが、そうである必要はない。

実施形態の側面は、各ブロックの全てまたは一部のブロック図、機能、動作、決定等を参照して説明され得るが、ブロックの組み合わせが、組み合わせられる、別個の動作に分離される、または他の順序で実施されてもよい。各ブロックの全てまたは一部またはその組み合わせは、（ソフトウェア等の）コンピュータプログラム命令、（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）、プロセッサ、または他のハードウェア等の）ハードウェア、ファームウェア、またはその組み合わせとして実装されてもよい。例えば、光をアクティブ化するように、および／またはそれを説明される行および列の行列等を介して特定の方向に指向させるようにコマンドするために１つ以上のバイナリ光学スイッチを選択するステップを含む、伝送／受信端末１００によって光を伝送または受光するための方向を選択するステップは、メモリ内に記憶される命令を実行するプロセッサによって実施されてもよい。

実施形態またはその一部は、メモリ内に記憶される命令を実行する、またはそれによって制御される、１つ以上のプロセッサによって実装されてもよい。各プロセッサは、適宜、中央処理ユニット（ＣＰＵ）、グラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）等の汎用目的プロセッサ、特殊目的プロセッサ等、またはその組み合わせであってもよい。

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なランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読取専用メモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、または任意の他のメモリ、またはその組み合わせであってもよい。本発明の機能を定義する命令は、限定ではないが、有形の書込不可能な記憶媒体（例えば、ＲＯＭ等のコンピュータ内の読取専用メモリデバイス、またはＣＤ−ＲＯＭまたはＤＶＤディスク等のコンピュータＩ／Ｏアタッチメントによって読取可能な媒体）上に恒久的に記憶される情報、有形の書込可能な媒体（例えば、フロッピー（登録商標）ディスク、リムーバブルフラッシュメモリ、およびハードドライブ）に改変可能に記憶される情報、または有線または無線の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達される情報を含む、多くの形態でプロセッサに配信されてもよい。そのうえ、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、システムが、種々のデータ構造を使用して具現化されてもよい。

開示される側面またはその一部は、上記に列挙されていない、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てもよい。加えて、本明細書に開示される実施形態は、本明細書に具体的に開示されていないいかなる要素もない状態で適切に実践され得る。故に、本発明は、開示される実施形態に限定されるものとして見なされるべきではない。

Claims (25)

1. 光学送信／受信端末であって、前記光学送信／受信端末は、
   視野を有するレンズと、
   平面状の表面上に配置された複数のバイナリ光学スイッチを有する平面状のＮ×１光学スイッチネットワークであって、前記平面状のＮ×１光学スイッチネットワークは、共通入力／出力ポートと、Ｎ個の他のポートとを含み、前記Ｎ個の他のポートは、前記Ｎ個の他のポートの各ポートが前記レンズの視野の一意の部分に光学的に結合されるように、前記レンズに光学的に結合され、前記複数のバイナリ光学スイッチの各々は、少なくとも２つのモードを有し、前記少なくとも２つのモードのうちの第１のモードは、少なくとも約２５％の結合効率を伴った、前記平面状の表面を越えた自由空間と前記バイナリ光学スイッチとの間の光学結合を可能にし、前記少なくとも２つのモードのうちの第２のモードは、多くとも約５％の結合効率を伴った、前記自由空間と前記バイナリ光学スイッチとの間の光学結合を可能にする、平面状のＮ×１光学スイッチネットワークと、
   前記平面状のＮ×１光学スイッチネットワークの共通入力／出力ポートに光学的に結合される光学伝送機および／または光受信機と
   を備える、光学送信／受信端末。
2. 前記Ｎ個の他のポートは、長方形アレイ内に配列される、請求項１に記載の光学送信／受信端末。
3. 前記Ｎ個の他のポートは、前記平面状の表面上に配置される、請求項１〜２のいずれかに記載の光学送信／受信端末。
4. 前記平面状のＮ×１光学スイッチネットワークは、光チップを備える、請求項１〜３のいずれかに記載の光学送信／受信端末。
5. 前記Ｎ個の他のポートの各ポートは、光学結合器を備える、請求項１〜４のいずれかに記載の光学送信／受信端末。
6. 複数の光ファイバをさらに備え、前記Ｎ個の他のポートの各ポートは、それぞれ、前記複数の光ファイバのうちの少なくとも１つの光ファイバを介して前記レンズに光学的に結合される、請求項１〜５のいずれかに記載の光学送信／受信端末。
7. 前記平面状のＮ×１光学スイッチネットワークは、
   複数の光学接合部において交差する複数の光学導波管を備え、
   前記複数の光学導波管および前記複数の光学接合部は、ルートと複数のリーフとを有する分岐した光学導波管ネットワーク内に配列され、前記ルートは、前記共通入力／出力ポートに結合され、前記複数のリーフの各リーフは、前記Ｎ個の他のポートのうちの個別のポートに結合され、
   前記複数のバイナリ光学スイッチのうちの個別の１つのバイナリ光学スイッチは、前記複数の光学接合部の各光学接合部に配置される、請求項１〜６のいずれかに記載の光学送信／受信端末。
8. 前記分岐した光学導波管ネットワークは、Ｈツリーを備える、請求項７に記載の光学送信／受信端末。
9. 前記平面状のＮ×１光学スイッチネットワークは、光チップを備える、請求項７に記載の光学送信／受信端末。
10. 複数の行と複数の列とを有する、行および列アドレス指定行列をさらに備え、
    前記複数のバイナリ光学スイッチの各バイナリ光学スイッチは、
    前記複数の行のうちの行に結合され、
    前記複数の列のうちの列に結合され、
    前記複数の行のうちの前記行および前記複数の列のうちの前記列の両方の上に存在する信号に応答して作動するように構成される、
    請求項７に記載の光学送信／受信端末。
11. 前記平面状のＮ×１光学スイッチネットワークは、ｘ−ｙ平面内に存在し、前記光学送信／受信端末はさらに、
    前記レンズに機械的に結合されるｘ−ｙ段を備え、前記ｘ−ｙ段は、前記レンズを、前記平面状のＮ×１光学スイッチネットワークに対して、前記ｘ−ｙ平面に平行な平面内に偏移させるように構成される、請求項１〜１０のいずれかに記載の光学送信／受信端末。
12. 前記レンズは、ｘ−ｙ平面内に存在し、前記光学送信／受信端末はさらに、
    前記平面状のＮ×１光学スイッチネットワークに機械的に結合されるｘ−ｙ段を備え、前記ｘ−ｙ段は、前記平面状のＮ×１光学スイッチネットワークを、前記レンズに対して、前記ｘ−ｙ平面に平行な平面内に偏移させるように構成される、請求項１〜１１のいずれかに記載の光学送信／受信端末。
13. 前記レンズおよび前記平面状のＮ×１光学スイッチネットワークに機械的に結合されるｘ−ｙ段をさらに備え、前記ｘ−ｙ段は、前記レンズを、前記平面状のＮ×１光学スイッチネットワークとともに平面内に偏移させるように構成される、請求項１〜１２のいずれかに記載の光学送信／受信端末。
14. 前記平面状のＮ×１光学スイッチネットワークは、ｘ−ｙ平面内に存在し、前記光学送信／受信端末はさらに、
    前記レンズと前記平面状のＮ×１光学スイッチネットワークとの間に光学的に配置される中間光学系と、
    前記中間光学系に機械的に結合されるｘ−ｙ段であって、前記ｘ−ｙ段は、前記中間光学系を前記ｘ−ｙ平面に平行な平面内に偏移させるように構成される、ｘ−ｙ段と
    を備える、請求項１〜１３のいずれかに記載の光学送信／受信端末。
15. 前記中間光学系は、小型レンズアレイを備える、請求項１４に記載の光学送信／受信端末。
16. 前記平面状のＮ×１光学スイッチネットワークは、ｘ−ｙ平面内に存在し、
    前記レンズは、少なくとも、第１の小型レンズアレイと、前記第１の小型レンズアレイに平行な第２の小型レンズアレイとを備え、前記光学送信／受信端末はさらに、
    前記レンズと前記平面状のＮ×１光学スイッチネットワークとの間に光学的に配置される第３の小型レンズアレイと、
    前記レンズに機械的に結合されるｘ−ｙ段であって、前記ｘ−ｙ段は、前記レンズを前記ｘ−ｙ平面に平行な平面内に偏移させるように構成される、ｘ−ｙ段と
    を備える、請求項１〜１５のいずれかに記載の光学送信／受信端末。
17. 前記第１および第２のモードにおいて、前記平面状の表面を越えた前記自由空間と前記バイナリ光学スイッチとの間の前記光学結合は、前記平面状の表面を通る、請求項１に記載の光学送信／受信端末。
18. 前記Ｎ個の他のポートは、前記平面状の表面上に配置される、請求項１７に記載の光学送信／受信端末。
19. 前記平面状のＮ×１光学スイッチネットワークは、光チップを備える、請求項１７に記載の光学送信／受信端末。
20. 前記Ｎ個の他のポートの各ポートは、光学結合器を備える、請求項１７に記載の光学送信／受信端末。
21. 複数の光ファイバをさらに備え、前記Ｎ個の他のポートの各ポートは、それぞれ、前記複数の光ファイバのうちの少なくとも１つの光ファイバを介して前記レンズに光学的に結合される、請求項１７に記載の光学送信／受信端末。
22. 前記平面状のＮ×１光学スイッチネットワークは、
    複数の光学接合部において交差する複数の光学導波管を備え、
    前記複数の光学導波管および前記複数の光学接合部は、ルートと複数のリーフとを有する分岐した光学導波管ネットワーク内に配列され、前記ルートは、前記共通入力／出力ポートに結合され、前記複数のリーフの各リーフは、前記Ｎ個の他のポートのうちの個別のポートに結合され、
    前記複数のバイナリ光学スイッチのうちの個別の１つのバイナリ光学スイッチは、前記複数の光学接合部の各光学接合部に配置される、請求項１７に記載の光学送信／受信端末。
23. 前記平面状のＮ×１光学スイッチネットワークは、光チップを備える、請求項２２に記載の光学送信／受信端末。
24. 複数の行と複数の列とを有する、行および列アドレス指定行列をさらに備え、
    前記複数のバイナリ光学スイッチの各バイナリ光学スイッチは、
    前記複数の行のうちの行に結合され、
    前記複数の列のうちの列に結合され、
    前記複数の行のうちの前記行および前記複数の列のうちの前記列の両方の上に存在する信号に応答して作動するように構成される、
    請求項２２に記載の光学送信／受信端末。
25. 前記レンズは、ｘ−ｙ平面内に存在し、前記光学送信／受信端末はさらに、
    前記平面状のＮ×１光学スイッチネットワークに機械的に結合されるｘ−ｙ段を備え、前記ｘ−ｙ段は、前記平面状のＮ×１光学スイッチネットワークを、前記レンズに対して、前記ｘ−ｙ平面に平行な平面内に偏移させるように構成される、請求項１７に記載の光学送信／受信端末。
    

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