JP2017538970A - 光カプラ - Google Patents

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Abstract

集積導波路（４）から到来する光信号（５）を自由空間内にアウトカップリングさせるための光カプラは、複数のマイクロ構造体（２０２）を備えている。複数のマイクロ構造体（２０２）の形状と位置は、光信号（５）が光カプラ（８）内で伝搬するときに光信号（５）の減衰を補償し、かつ、光信号（５）が自由空間内で伝搬する光信号（５）の出力分布（２０１）を所定の目標出力分布に一致させるように適合している。複数のマイクロ構造体は、それぞれ光散乱中心を構成し、不均一な数密度分布に従って、光カプラの上に配置されている。

Description

この発明は、集積フォトニックデバイスの分野に関する。より具体的に言うと、この発明は、光カプラデバイス、および、集積フォトニック回路デバイス内で、かつ／または集積フォトニック回路デバイス外で光を結合させるための方法に関する。
導波モード共鳴は、位相整合素子（例えば、回折格子またはプリズム）を導入することにより、光導波路の導波モードを励起し、さらに同時に抽出できる現象である。
この技術分野では、グレーティングカプラが知られている。グレーティングカプラは、導波路の上または下の領域に設けられた回折格子を有していることがある。この導波路は、例えば、フォトニック集積回路の集積導波路であって、例えば透明な誘電体で作られていることがある。したがって、回折格子に入射するオフレゾナンス光は、回折格子が存在しない領域に光が入射した場合とほぼ同じ挙動を示すことがある。一方、特定の入射角と光周波数の組み合わせでは共鳴が生じ、回折格子により光が結合して導波路の導波モードとなる。
本発明の実施形態の目的は、集積フォトニック回路デバイス内で、かつ／または集積フォトニック回路デバイス外で光を良好にかつ効率的に結合させることである。
この目的は、本発明の実施形態に係る方法とデバイスにより達成される。
本発明の第１の態様は、集積導波路に光学的に結合させ、前記集積導波路内で伝搬する光信号を自由領域などの自由伝搬領域（例えば、エアフリー伝搬領域）内にアウトカップリングさせるための光カプラに関する。前記光カプラは複数のマイクロ構造体を備えている。前記複数のマイクロ構造体の形状と位置は、前記光カプラ内で伝搬する前記光信号の減衰を補償し、かつ、自由空間内にアウトカップリングした前記光信号の出力分布を所定の目標出力分布（例えばガウシアン出力分布）に一致させるように適合している。さらに、前記複数のマイクロ構造体はそれぞれ光散乱中心を形成している。前記複数のマイクロ構造体は、不均一な数密度分布（例えば、不均一な二次元領域数密度、例えば、単位面積当たり（例えば、前記光カプラの表面の面積当たり）の不均一なマイクロ構造体の数）に従って、前記光カプラの上に配置されている。
本発明の実施形態に係る光カプラでは、前記不均一な数密度分布は、前記所定の目標出力分布を与えるように適合した連続的密度分布の離散サンプリング近似であってもよい。
本発明の実施形態に係る光カプラは、前記集積導波路の一部であってもよい。あるいは、前記光カプラは、前記集積導波路の少なくとも一部（例えば壁部分）を有していてもよい。
本発明の実施形態に係る光カプラでは、前記複数のマイクロ構造体は、少なくとも部分的に、前記集積導波路内に製造されていてよい。
本発明の実施形態に係る光カプラでは、前記複数のマイクロ構造体は、前記集積導波路に形成されたスルーホールを有していてよい。
本発明の実施形態に係る光カプラでは、前記複数のマイクロ構造体は、少なくとも部分的に、前記集積導波路の上に製造されていてよい。例えば、前記マイクロ構造体は、前記集積導波路から突出していてもよい。例えば、前記マイクロ構造体は、材料（例えば金属）を堆積させることにより、少なくとも部分的に、前記集積導波路の上に製造されてもよい。
本発明の実施形態に係る光カプラでは、前記マイクロ構造体は、スタブ（またはピラー）、浅いエッチング穴、深いエッチング穴（例えばスルーホール）または、それぞれ局所的に設けられた構造群を有していてよい。
本発明の実施形態に係る光カプラでは、前記光カプラは（複数の）グレーティングラインを有していてよい。前記複数のマイクロ構造体は、前記（複数の）グレーティングラインの上に設けられていてよい。例えば、前記グレーティングラインは、前記集積導波路内をエッチングして形成してもよい。前記複数のマイクロ構造体は、前記アウトカップリングした光の強度を局所的に制御するように適合した密度分布に従って、前記グレーティングラインの上に設けられていてもよい。前記光カプラは、アウトカップリングした光出力の所定のターゲット分布を与えるように適合した（例えば最適化された）連続密度分布の離散サンプリング近似である密度分布に従って、前記グレーティングラインの上に配置されたマイクロ構造体を有していてもよい。
本発明の実施形態に係る光カプラでは、前記複数のマイクロ構造体の三次元形状と二次元形状は、自由空間内で伝搬する前記光信号のガウシアン出力分布を与えるように適合していてもよい。
本発明の実施形態に係る光カプラは、アウトカップリングした光信号を、焦点に向けて集光された集束光ビームとして自由空間内に集束させるように構成されていてもよい。
本発明の第２の態様は、光信号を誘導するための集積導波路と、本発明の第１の態様の実施形態に係る光カプラとを備え、前記光カプラは、前記集積導波路に光学的に結合し、かつ、前記集積導波路の平面から出射した光信号を光ビームとして指向させるように構成されている、フォトニック集積回路に関する。
本発明の実施形態に係るフォトニック集積回路では、前記光カプラは前記集積導波路の一部を構成していてもよい。本発明の実施形態に係るフォトニック集積回路では、前記複数のマイクロ構造体は、少なくとも部分的に、前記集積導波路内に製造されていてもよい。本発明の実施形態に係るフォトニック集積回路では、前記複数のマイクロ構造体は、前記集積導波路に形成されたスルーホールを有していてもよい。本発明の実施形態に係るフォトニック集積回路では、前記複数のマイクロ構造体は、少なくとも部分的に、前記集積導波路の上に製造されていてもよい。
本発明の第３の態様は、本発明の第１の態様の実施形態に係る光カプラを複数備えた三次元（３Ｄ）ディスプレイであって、前記複数の光カプラは、該複数の光カプラが生成する焦点の集合が自由空間において３Ｄ画像を作るように構成されている、３Ｄディスプレイに関する。
本発明の第４の態様は、光カプラを設計する方法に関する。前記方法は、マイクロ構造体のパターンを設計するステップを含む。このステップは、前記パターンに従う複数のマイクロ構造体を備えた光カプラが、前記光カプラ内で伝搬する光信号の減衰を補償し、かつ、出射した前記光信号を所定の目標出力分布に従って結合させるように実施される。
本発明の第５の態様は、集積導波路から到来する光信号を自由空間内に光学的にアウトカップリングさせるための光カプラを製造する方法に関する。前記方法は、所定の目標出力分布を与えるように適合した連続密度分布の離散サンプリング近似として不均一な数密度分布を決定するステップを含む。また、前記方法は、集積導波路内および／または集積導波路上に光散乱中心を形成する複数のマイクロ構造体を製造するステップであって、前記複数のマイクロ構造体の形状と位置が、前記光カプラ内で伝搬する光信号の減衰を補償し、かつ、例えば自由空間内で伝搬する光信号の前記所定の目標出力分布を与えるようにしたステップを含む。前記製造するステップは、前記不均一な数密度分布に従って、前記光カプラの上に前記複数のマイクロ構造体を配置するステップとを含む。
本発明の態様は、さらに、ディスプレイシステム（例えば３Ｄディスプレイシステム）またはレンズフリー細胞選別システムにおける、本発明の第１の態様の実施形態に係る光カプラの使用を提供する。
本発明の特定の好ましい態様について、添付の独立請求項と従属請求項に記載している。従属請求項に記載された特徴は、独立請求項に記載された特徴、および、他の従属請求項に記載された特徴と、必要に応じて、特許請求の範囲に明示的に記載されたものに限定されない形で組み合わせることができる。
本発明のこれらの態様と他の態様は、以下で説明する実施形態から明らかであり、当該実施形態を参照して明瞭にされる。
本発明の実施形態に係る光カプラを用いたイメージングデバイスを示す。 本発明の実施形態に係る光カプラを示す。 本発明の実施形態に係る光カプラを用いたイメージングデバイスを示す。 本発明の実施形態に係る光カプラを用いたイメージングデバイスを示す。 アウトカップリングする光の出力分布を示しており、この出力分布は、点光源の良好な近似を与え、本発明の実施形態の態様を示している。 本発明の実施形態に係る例示的なグレーティングカプラを示す。 本発明の実施形態に係るグレーティングカプラを通じて伝搬する光の目標出力分布を示す。 本発明の実施形態に係る光カプラで用いられるマイクロ構造体の散乱断面を決定するためのシミュレーションモデルを示す。 本発明の実施形態に係る光カプラで用いられるマイクロ構造体の散乱断面のシミュレーション結果を、波長の関数として示す。 本発明の実施形態に係る光カプラで用いられる散乱マイクロ構造体の例示的なターゲット分布を示す。 本発明の実施形態に係る光カプラ内で用いられる散乱マイクロ構造体の例示的なターゲット分布から得られる散乱マイクロ構造体の位置についてのランダムサンプリングを示す。 本発明の実施形態に係る光カプラ内で用いられる散乱マイクロ構造体の例示的なターゲット分布から得られる散乱マイクロ構造体の位置についてのランダムサンプリングを示しており、ランダムサンプリングにより得られたこれらの位置は、例えば最も近い位置にあるグレーティングラインの上に重なるように調節されている。 本発明の実施形態に係る光カプラのシミュレーションにより得られる散乱光の等光度表面を示す。 本発明の実施形態に係る光カプラのシミュレーションの散乱強度図を示す。 散乱中央位置についての例示的なターゲット分布を示しており、同ターゲット分布では散乱マイクロ構造体の異方性が考慮に入れられている。 マイクロ構造体の異方性散乱が補償されたターゲット密度分布に従うマイクロ構造体のランダムサンプリングを示す。 マイクロ構造体の異方性散乱が補償されたターゲット密度分布に従うマイクロ構造体のランダムサンプリングを示しており、同ランダムサンプリングにより得られたマイクロ構造体の位置は、グレーティングライン上の最も近い位置に調節されている。 シミュレーションにより得られた光カプラの適合性を繰り返し改善するためのメッシュを示す。 シミュレーションにより得られた光カプラにおける、散乱マイクロ構造体の第１の位置決めを示しており、この第１の位置決めは、反復して行われるメッシュ最適化シミュレーションにおける１つの繰り返しである。 シミュレーションにより得られた光カプラにおける、散乱マイクロ構造体の第２の位置決めを示しており、第２の位置決めは、反復して行われるメッシュ最適化シミュレーションにおける別の繰り返しである。 本発明の実施形態に係る光カプラの、シミュレーションにより得られたアウトカップリングした光の場を示しており、光カプラの平面から焦点距離だけ上方の位置に形成される焦点を示す。 本発明の実施形態に係る光カプラの、シミュレーションにより得られたアウトカップリングした光の場を示しており、光カプラの平面から焦点距離だけ上方の位置に形成される焦点を示す。 本発明の実施形態に係る光カプラの、シミュレーションにより得られたアウトカップリングした光の遠距離場を示す。 本発明の実施形態に係る光カプラ（発散光カプラの形をとる）を示す。 本発明の実施形態に係るディスプレイシステムを示す。
図面は概略的なものにすぎず、非制限的である。図面で、幾つかの要素の大きさは、説明のために誇張され、実際のスケールでは図示されていないことがある。
特許請求の範囲に記載されたどの参照符号も、発明の範囲を限定するものと解釈されない。
異なる図面で、同じ参照符号は、同じまたは類似の要素を指す。
特定の実施形態に関して、特定の図面を参照しつつ本発明について説明するが、本発明はこれに限定されず、特許請求の範囲によってのみ限定される。図面は概略的なものにすぎず、非制限的である。図面で、幾つかの要素の大きさは、説明のために誇張され、実際のスケールでは図示されていないことがある。寸法および相対寸法は、本発明が実際に実施化される態様とは対応していない。
さらに、明細書の説明と特許請求の範囲で用いられる、第１、第２などは、類似の要素を区別するために用いられているのであって、必ずしも時間的、空間的、序列、または他のいずれかの方法での順序を表すために用いられているのではない。こうして用いられた用語は、適切な状況下で交換可能であり、本明細書で説明している本発明の実施形態は、本明細書で説明または図示されているものとは別の順序で動作可能であると理解すべきである。
さらに、明細書の説明と特許請求の範囲で用いられる、上、下などは、説明のために用いられているのであって、必ずしも相対的な位置を記述するために用いられているのではない。こうして用いられた用語は、適切な状況下で交換可能であって、本明細書で説明した本発明の実施形態は、本明細書で説明または図示されているものとは別の向きで動作可能であると理解すべきである。
特許請求の範囲で用いられる、「備える、有する、含む」は、それ以降に列挙された手段に限定されるように解釈すべきでない。「備える、有する、含む」は、他の要素、ステップを除外しない。それゆえ、「備える、有する、含む」は、記載されている特徴、整数、ステップまたは構成要素の存在を明記するものであると解釈すべきであって、１つ以上の他の特徴、整数、ステップもしくは構成要素、またはこれらの組み合わせの存在または追加を除外するものではない。したがって、「手段Ａと手段Ｂとを備えたデバイス」という表現の範囲は、構成要素Ａ，Ｂのみからなるデバイスに限定すべきでない。この表現は、本発明に関して、構成要素Ａ，Ｂが、デバイスの関連するコンポーネントであることを意味するにすぎない。
この明細書を通じて「一実施形態、実施形態」は、当該実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造または特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれるということを意味する。したがって、本明細書を通じてさまざまな場所で現れるフレーズ「一実施形態で、実施形態で」は、必ずしもすべてが同じ実施形態を参照するわけではないが、参照してもよい。さらに、本開示から当業者に明らかなように、１つ以上の実施形態に記載された特定の特徴、構造または特性は、任意の適切な方法で組み合わされてよい。
同様に、本発明の例示的な実施形態の説明で、本発明のさまざまな特徴は、開示を簡略化し、さまざまな発明の態様の理解を容易にする目的で、１つの実施形態、図面、またはその説明にまとめられていることがあると認識すべきである。ただし、本開示の方法は、特許請求の範囲に記載の発明が、各請求項に明示的に記載された特徴よりも多くの特徴を必要とするという意図を反映していると解釈すべきではない。むしろ、以下の特許請求の範囲が反映しているように、発明の態様は、開示された１つの実施形態のすべての特徴よりも少なくなる。したがって、詳細な説明に続く特許請求の範囲は、この詳細な説明中に明確に包含され、各請求項は、この発明の別々の実施形態としてそれ自身で成立する。
さらに、当業者に理解されるように、本明細書で説明する幾つかの実施形態は、他の実施形態の特徴の幾つかは含むが別の幾つかは含まず、異なる実施形態の特徴の組み合わせは、本発明の範囲に含まれ、さまざまな実施形態を構成する。例えば、以下の特許請求の範囲において、特許請求の範囲で請求された実施形態のいずれも、任意の組み合わせで用いることができる。
本明細書でなされている説明では、多くの具体的な詳細が記述されている。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体的な詳細を含まなくても実施できると理解すべきである。他の例では、周知の方法、構造および技術は、説明の理解を不明瞭にしないために、詳細には示されていない。
本発明の実施形態で「イメージング、撮影、撮像(imaging)」という場合、オブジェクト（物体）の空間特性の表示を取得または再生するプロセス（例えば二次元画像の形成）を指す。当該画像は、複数の位置について（例えば二次元グリッドにわたって）得られるスカラー値を含んでいてもよく、例えばグレースケール画像表示を構成してもよい。ただし、当該画像は、複数の位置についてベクトル値を含んでいてもよく、例えばカラー画像表示を構成してもよい。例えば、当該ベクトル値は、さまざまな蛍光について記録した発光強度に対応する、さまざまなスペクトル成分をエンコードするものであってもよい。得られる画像は、オブジェクトの構造を直接的に表示したもの（例えば、微視的なエンティティの光学的拡大表示）であってもよいし、オブジェクトの構造をより複雑な形で表示したもの（オブジェクトの空間特性をエンコードするホログラフィ干渉パターン）であってもよい。イメージングは、オブジェクトの静的な空間表示を記録することを指していてもよいし、時系列で画像群を取得すること（例えば、対象のオブジェクトの光学的特性であって一時的なものと空間的な変動の両方をエンコードする動画列を取得すること）を指していてもよい。
この明細書を通じて、「光」に言及している。本発明では、光は、波長が３７５ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の電磁波（可視光、赤外線、近赤外線および紫外線を含む）を意味する。
この明細書を通じて、「光カプラ」に言及している。光カプラは、集積回路内で光が伝搬する領域（例えば、集積導波路内の領域、または、例えば集積導波路の上または下で、集積導波路と接する領域）を指す。この領域には、集積回路内で、または集積回路外で光を結合させるための分光構造（例えば回折格子）が設けられる。所定の入射角と光周波数では導波モード共鳴が生じ、これにより回折格子は光を結合させて導波路の導波モードに至る。また、導波路の導波モードは、対称性に起因して、カプラにより所定の角度に沿って導波路から出射して結合してもよい。
明細書を通じて、「集積導波路(integrated waveguide)」に言及している。集積導波路は、集積回路内または集積回路上での（例えば集積フォトニック回路内での）光伝搬領域を指す。集積導波路は、平面（または平板）導波路（例えば誘電体スラブ導波路）、ストリップ状導波路、リブ状導波路、セグメント化導波路、フォトニック結晶導波路、テーパ状導波路などの光導波路、または、集積回路内でのオンチップ集積に適していることが知られた他の任意の光伝搬構造を指していてよい。
本発明の第１の態様は、集積導波路から到来する光信号を自由伝搬領域（例えば、エアフリー(free-in-air)光伝搬領域など、光信号が実質的に自由に伝搬することが可能な領域であって、自由空間とも称される）に光学的に結合させるための光カプラに関する。例えば、光カプラは、集積導波路への光学的な結合を行うように構成されていてもよく、集積導波路内で伝搬する光信号を自由空間などの自由伝搬領域（例えばエアフリー光伝搬領域）にアウトカップリング(out-coupling、出射結合)させるように構成されていてもよい。光カプラは、複数のマイクロ構造体（例えばマイクロ構造体のパターン）を有している。複数のマイクロ構造体の形状と位置は、光カプラ内で伝搬する光信号（例えば、集積導波路から送信されて光カプラ内で伝搬する光信号）の減衰を補償するように適合している。さらに、複数のマイクロ構造体は、自由空間内で伝搬する光信号（例えば自由空間内にアウトカップリングした光信号）の出力分布を所定の目標出力分布（例えば、実質的な平面波または球面波（例えば所定の焦点中心を有する球面波）に相当する目標出力分布）に一致させるように構成されている。したがって、複数のマイクロ構造体は、自由空間内にアウトカップリングした光信号の出力分布を所定の目標出力分布（例えばガウシアン出力分布）に一致させるように構成されていてもよい。さらに、マイクロ構造体のそれぞれが光散乱中心を構成する。マイクロ構造体は、不均一な数密度関数（例えば、不均一な二次元領域数密度、例えば、単位面積当たり（例えば、光カプラの表面の面積当たり）の不均一なマイクロ構造体の数）に従って光カプラ上に配置されている。例えば、マイクロ構造体のパターンは、この密度分布に従っていてもよい。例えば、マイクロ構造体の位置は、当該密度分布からサンプリングされたものであってもよい。この密度分布は、集積導波路の平面から出射して結合した光信号の出力分布が所定の目標出力分布に一致するように選択されてもよい。例えば、本発明の実施形態に係る光カプラでは、不均一な数密度分布は、所定の目標出力分布を与えるように適合した連続密度分布の離散サンプリング近似であってもよい。
本発明の実施形態の１つの利点は、光アウトカップリングについて高い効率を得ることができる（例えば、オブジェクトを良好に照明できる）ことである。本発明の実施形態の１つの利点は、生じる光円錐の均一性が向上し、これにより、従来のグレーティングカプラを用いた場合と比較してより大きいピンホールを利用できることである。
例えば、図２は、集積導波路４から到来する光信号５を自由伝搬領域（例えば、実質的に自由な光信号５の伝搬を可能にする領域であって、一例ではエアフリー伝搬領域（自由空間））に光学的に結合するための光カプラ８を示す。光カプラは、複数のマイクロ構造体２０２（例えばマイクロ構造体のパターン）を有している。複数のマイクロ構造体の形状と位置は、光カプラ８内を伝搬する光信号５が（例えば、が集積導波路４から送信されて光カプラ８内を伝搬する光信号５）の減衰を補償するように適合している。さらに、複数のマイクロ構造体２０２は、光信号が自由空間内で伝搬するときの（アウトカップリングした光信号の）出力分布を与えるように構成されている。その結果、この出力分布は、所定の目標出力分布（例えば、実質的に平面波または球面波（例えば所定の焦点中心２０３を有する球面波）に相当する目標出力分布に一致する。
本発明の実施形態に係る光カプラは、集束光カプラ(focusing light coupler)であっても発散光カプラ(defocusing light coupler)であってもよい。例えば、光カプラは、集積導波路の平面から出射する光信号を集束光波（例えば収束光波）の形で、または発散光波の形で指向させるように構成されていてもよい。光カプラは、集積回路から出射した光を集束ビームの形で集束させるための（例えば、集積導波路の平面から出射した光信号を、焦点面内に集光された集束光ビームとして集束させるように構成された）集束光カプラであってもよい。例えば、集束光カプラは、平面導波路の平面から（例えばフォトニック集積回路の基板の平面から）出射した、実質的に円形または平面の波面（例えば実質的に円形または平面の波面を有する光波）を集束させるように構成されていてもよい。
本発明の実施形態に係る光カプラは、集積回路から出射する光を結合して発散ビームとし、集積導波路の平面から出射する光信号を発散光ビームとして指向させるように構成された発散光カプラであってもよい。この実施形態を図２４に示している。したがって、光カプラは、その一方の側に仮想的な焦点１６を有し、他方の側で光の波面を生成するように構成されてよい。例えば、光カプラは、複数の構造体であって、そのうちの各構造（または各構造群）が光を異なる方向へアウトカップリングさせるように構成されたものを有していてよい。構造体の集合体は、協働して、光カプラの一方の側に（例えば、集積導波路の平面の一方の側に）、準円形の光の波面を形成してよい。ここで、当該波面の仮想的な焦点１６は、グレーティングカプラの他方の側（例えば、集積導波路の平面の他方の側）に位置している。本発明の１つの利点は、光カプラに近接配置されたオブジェクトを良好に照明でき、これによりデバイスを小型化できることである。
本発明の実施形態に係る光カプラは、集積導波路の一部（例えば集積導波路の壁の一部）を含んでいてよい。例えば、光カプラは、集積導波路（例えば本発明の第２の態様の実施形態に係る集積フォトニック回路）と一体に（例えば集積フォトニック回路デバイス内に、または当該デバイス上に）形成されていてよい。例えば、集積導波路は、リッジ状（またはリブ状）導波路の一部（例えば、２つの低屈折率材料間に高屈折率材料が配置されたスラブにより画定される光伝導チャネル）を有していてもよい。例えば、光カプラは、リッジ状（またはリブ状）導波路に光学的に結合した高屈折率材料で作られたスラブ内に設けられていてもよい。あるいは、集積導波路は、テーパ状導波路（例えば、２つの低屈折率材料間に高屈折率材料が配置されたテーパ領域により画定される光伝導チャネル）を有していてもよい。例えば、光カプラは、テーパ状導波路のテーパ領域に形成されていてもよい。
光信号をアウトカップリングさせるための光カプラにおいて、導波路により供給される光信号は、光カプラで伝搬する間に減衰することがある。ただし、本発明の実施形態では、複数のマイクロ構造体を設け、光カプラ内で光信号が伝搬するときに生じる減衰を補償する。光信号の減衰があると、光の不均一な分散が生じる。これは、例えば、ある用途でオブジェクトを照明する場合には不都合な場合がある。さらに、集積導波路は、光カプラのさまざまな部分に光学的に結合しており、これにより、生成した光ビームの均一性をさらに向上させることができる。例えば、集積導波路は光カプラのある部分に光学的に結合していてよく、集積導波路は光カプラの他の部分に光学的に結合していてよい。集積導波路を光カプラのさまざまな位置に結合することにより、光カプラ内で光が減衰するという問題を解消でき、優れた均一性を有する光ビームを生成できる。光カプラに到達する複数の光信号間での位相差（例えば、光カプラの異なる位置に入射して伝搬する光信号間での位相差）は、実質的にゼロであることが好ましく、完全にゼロであることが好ましく、製造上の公差と費用の制限の範囲内で達成可能なできるだけ小さい値であることが好ましい。
複数のマイクロ構造体は、少なくとも部分的に、集積導波路内に設けられてよい。例えば、マイクロ構造体は、集積導波路のエッチングにより（例えば集積導波路を完全にエッチングすることにより、または部分的にエッチングすることにより）、集積してよい。
複数のマイクロ構造体の集積導波路には、スルーホールが設けられてよい。例えば、スルーホールの断面は長方形状であってもよいし、他の好適な形状（例えば局所化した形状）であってもよい。
複数のマイクロ構造体は、少なくとも部分的に、集積導波路の上に設けられてよい。例えば、複数のマイクロ構造体は、集積導波路から突出していてもよい。例えば、複数のマイクロ構造体は、集積導波路の上に所定の材料（例えば金属）を堆積させることにより設けられてもよい。
したがって、マイクロ構造体のパターンは、スタブ（またはピラー）、浅いエッチング穴、深いエッチング穴（例えばスルーホール）または、それぞれ局所的に設けられた構造群を有していてよい。
本発明の実施形態に係る光カプラは複数のグレーティングラインを有していてよく、これらのグレーティングラインに複数のマイクロ構造体が設けられていてよい。例えば、光カプラは、集積導波路までエッチングを行って設けられた複数のグレーティングラインを有していてよく、これらのグレーティングラインにマイクロ構造体のパターンが設けられていてよい。マイクロ構造体は、アウトカップリングした光の強度を局所的に制御するように適合した密度分布に従って、グレーティングラインに設けられていてよい。光カプラは、所定の密度分布に従ってグレーティングラインの上に配置されたマイクロ構造体を有していてよく、その所定の密度分布は、アウトカップリングした光の出力分布についてのターゲットを与えるように適合した（例えば、与えるように最適化された）連続密度分布の離散サンプリング近似であってよい。
本発明の実施形態に係る光カプラでは、複数のマイクロ構造体の三次元形状(shape)と二次元形状(form)は、自由空間で伝搬するときに光信号のガウシアン出力分布を与えるように構成されていてよい。
本発明の実施形態に係る光カプラは、集積導波路内に設けられたパターンを有していてもよい（例えば集積導波路をパターニングしてもよい）。マイクロ構造体は、少なくとも部分的に導波路内に設けられてもよい（例えばエッチングにより設けられてもよい）。マイクロ構造体は、導波路内に設けられたスルーホールであってもよい。
スルーホールは任意の好適な形状（例えば長方形）を有していてもよい。また、マイクロ構造体は、導波路内に設けられたさまざまな種類のマイクロ構造体の組み合わせ、例えば、導波路内で完全に設けられたもの（例えばスルーホール）または部分的に設けられたもの（例えばくぼみ）であってもよい。パターンは規則的なパターンであってよい。本発明の実施形態では、そのパターンは、導波路から出射した光信号がグレーティングカプラを通じて伝搬するときに生じる減衰を補償するように構成されている。このように構成されたパターンにより、生成する光円錐の均一性が向上し、これにより、規則的なパターンを用いる場合と比べて大きいピンホールを利用できる。オブジェクトの照明に用いる光のエネルギーを大きくして、オブジェクトをより良好に照明できることは好都合である。
例えば、均一な光のアウトカップリングを与えるために、マイクロ構造体は散乱中心を構成してもよい。例えば、マイクロ構造体は、光散乱中心を有していてもよく、光散乱中心により構成されていてもよい。したがって、湾曲したグレーティングラインを複数有する（この技術分野で知られている）、完全に構成された集光グレーティングカプラを用いる代わりに、グレーティングラインの上に（例えば、完全に形成された集光グレーティングカプラであって手近な(at hand)光カプラと実質的に同じ光結合特性を有するもののグレーティングライン上の位置に実質的に一致する位置に）、出射結合した光強度を局所的に制御するように適合した密度分布に従って、マイクロ構造体を設けてもよい。本発明の実施形態では、光カプラは、アウトカップリングした光についてのターゲット出力分布を与えるように構成された（例えば、そのように最適化された）連続密度分布の離散サンプリング近似である密度分布に従って、当該光カプラに配置されたマイクロ構造体を有していてよい。本発明の実施形態では、光カプラの上には、アウトカップリングした光についてのターゲット出力分布を与えるように適合した（例えば最適化された）連続密度分布の離散サンプリング近似である密度分布に従って、マイクロ構造体が配置されていてよい。本発明の他の態様は、当該集束光カプラを設計する方法、および／または、集束光カプラを製造する方法に関する。
本発明の第２の態様は、光信号を誘導するための集積導波路と、本発明の第１の態様の実施形態に係る光カプラとを備え、光カプラが、集積導波路に光学的に結合し、かつ、集積導波路の面から出射した光信号を光ビームとして指向させるように構成されたフォトニック集積回路に関する。
本発明の実施形態に係るフォトニック集積回路では、光カプラは集積導波路の一部であってよい。本発明の実施形態に係るフォトニック集積回路では、複数のマイクロ構造体は、少なくとも部分的に集積導波路内に製造されてよい。本発明の実施形態に係るフォトニック集積回路では、複数のマイクロ構造体は、集積導波路内に設けられたスルーホールを有していてよい。本発明の実施形態に係るフォトニック集積回路では、少なくとも部分的に集積導波路の上に製造されてよい。
例えば、図１は、本発明の実施形態に係るフォトニック集積回路２を示す。フォトニック集積回路２は、光信号５を誘導するための集積導波路４を備えている。例えば、フォトニクス集積回路デバイス２は、集積フォトニック回路の加工に適し、集積導波路４が中にまたは上に設けられる基板（例えば、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板）を有していてよい。本発明の実施形態の１つの利点は、集積フォトニック加工技術を用いて、例えば点状の焦点を有する収束光ビームを与える光源を提供できることである。本発明の実施形態の更なる利点は、こうした光源を１つの基板上に複数（例えば多く）設けることにより、（例えば、複数のオブジェクトの撮影を並列して行うことが可能な）光源を低コストで効率的に提供できる。
本発明の実施形態に係るフォトニック集積回路は、集積導波路４に光学的に結合した伝搬領域をさらに有していてよい。伝搬領域は、導波路４内で伝搬する光信号５から、当該伝搬領域内で大きい（例えば円形の）波面が生成するように構成されていてもよい。伝搬領域は、集積導波路４に光学的に結合した大きい表面を有していてよい。好ましくは、伝搬領域の材料の屈折率は、平面導波路４の屈折率と同じであってよい。自由伝搬領域は、集積導波路４と同じ材料で作られたスラブであってよい。この実施形態では、本発明の実施形態に係る光カプラ８（例えば集束光カプラの形をとる）は、自由伝搬領域内で生成した波面を、光カプラ８を用いて自由伝搬領域からアウトカップリングさせることができるように配置されてよい。例えば、光カプラ８は、自由伝搬領域内でエッチングされてもよい。本発明の実施形態の１つの利点は、自由伝搬領域を用いることにより、光カプラ８の最適な照明を実現できる。これは、光カプラ８を用いて高効率で光をアウトカップリングさせることに寄与する。
フォトニック集積回路２は、さらに、集積導波路４に光学的に結合し、光励起信号５から到来する広い波面７を生成するように構成された光学テーパ６を有していてよい。光学テーパは、面内二次元球面状波面(in plane two-dimensional spherical wavefront)を作ってもよい。例えば、導波路の一部の形状は、実質的に円形の波面を有する光波として、本発明の実施形態に係る光カプラ８（例えば集束光カプラの形をとる）内に光信号を伝送するためのテーパ部を形成するように適合していてよい。
あるいは、光学テーパは、光信号５から、実質的に準平面的な波面（例えば平面的な波面）を生成するように構成されていてよい。光学テーパは、面内二次元波面を作ってもよい。例えば、導波路の一部の形状は、実質的に平面的な波面を有する光波として、光カプラ８内に光信号を伝送するためのテーパ部を形成するように構成されてよい。
本発明の実施形態では、集積導波路は、第１の導波路と第２の導波路に光学的に結合していてよい。したがって、集積導波路内で伝搬する光信号は、光学的に分割されて第１、第２の導波路内で伝搬することになる。第１の導波路は、光カプラの一方の側（例えば一端）に光学的に結合していてもよく、第２の導波路は、同じ光カプラの他の側（例えば他端）に光学的に結合していてもよい。集積導波路を２つの導波路に分割することにより、導波路内で伝搬する同じ光信号を同じ光カプラに２回、それぞれ異なる位置に供給し、これにより光カプラ内で光信号が減衰することによる不利益を補償し、あるいは少なくとも低減できる。好ましくは、光カプラに到達する両光信号の位相差は、実質的にゼロである。したがって、第１、第２の導波路は、光カプラに到達する両光信号間の位相差が実質的にゼロである（例えばゼロに広しい、例えば所定の許容範囲内（一例では、製造上の公差の範囲内）でゼロに等しい）ように製造されてもよい。
本発明の実施形態では、集積導波路は、光ビームの均一性をさらに向上させるために、複数の位置で光カプラに光学的に結合していてもよい。例えば、集積導波路は、複数の導波路（例えば、３つ、４つ、５つ、６つ、またはそれ以上の導波路）に光学的に結合していてもよい。したがって、集積導波路内で伝搬する光信号は、複数の導波路のそれぞれを通じて光学的に分割されて伝搬することになる。複数の導波路は、グレーティングカプラの複数の位置に光学的に結合していてもよい。
集束光カプラは、焦点面上１０に集光された集束光ビーム９として導波路の平面から出射した、実質的に円形または平面の波面７を集束させるように構成されていてもよい。
例えば、複数の光カプラを用いて、オブジェクトをさまざまな角度から同時に照明してもよい。これらの光カプラを同じ集積導波路に接続し、すべての光カプラに光信号を供給してもよい。例えば、集積回路２は、さらに、本発明の実施形態に係る光カプラ８ａ（導波路４に光学的に結合している）を少なくとも１つ有していてもよい。追加の光カプラ８ａは、集積導波路４の平面から光ビーム９ａとして出射する光信号５を誘導するように構成されていてもよい。光カプラ８と追加の光カプラ８ａは、これらにより生成した光ビームが重なってオブジェクトを異なる角度から同時に照明するように配置されている。この実施形態は、図３、図４に示されている。例えば、さまざまな角度からオブジェクトに光を照射することにより、オブジェクトの３Ｄ情報を記録できる。したがって、３Ｄ情報を組み込んでオブジェクトを特定することにより、より高い精度を達成できる。
本発明の実施形態に係る光カプラを複数備えたフォトニック回路では、各光カプラは、当該光カプラ内に光信号を送信する個別の集積導波路を有していてよく、複数のカプラは、異なる角度からオブジェクトを照明するように配置されていてよい。例えば、フォトニック集積回路は、光信号を誘導するための第１集積導波路および第２集積導波路と、第１集積導波路に光学的に結合した第１の光カプラと、第２集積導波路に光学的に結合した第２光カプラとを備えている。ただし、本発明において、集積導波路と光カプラの数は、それぞれ２つに限定されない）。第２光カプラは、第２導波路の平面から出射する光信号を他の光ビームとして指向させるように構成されていてもよい。第１、第２光カプラは、これらにより生成した光ビームが重なってオブジェクトを異なる角度から同時に照明するように配置されていてよい。
本発明の第３の態様は、光カプラを設計する方法に関する。この方法は、マイクロ構造体のパターンを設計するステップを含む。このステップは、当該パターンに従う複数のマイクロ構造体を備えた光カプラが、光カプラ内で伝搬する光信号の減衰を補償し、かつ、出射した光信号を所定の目標出力分布に従って結合させる（例えば、所定の目標出力分布に一致するように光信号をアウトカップリングさせることができる）ように実施される。
本発明の第４の態様は、集積導波路から到来する光信号を自由伝搬領域（例えば、エアフリー光伝搬領域など、光信号が実質的に自由に伝搬することが可能な領域）内に光学的に結合させる（例えばアウトカップリングさせる）ための光カプラを製造する方法に関する。光カプラは、例えば、集積導波路から到来する光信号を自由空間内へ光学的にアウトカップリングさせる。この方法は、所定の目標出力分布（例えば、実質的な平面波または球面波（例えば所定の焦点中心を有する球面波）に相当する目標出力分布）を与えるように適合した連続密度分布の離散サンプリング近似として不均一な数密度分布を決定するステップを含む。この方法は、集積導波路内および／または集積導波路上に光散乱中心を形成する複数のマイクロ構造体を製造するステップであって、複数のマイクロ構造体の形状と位置が、光カプラ内で伝搬する（例えば集積導波路から送信された）光信号の減衰を補償し、かつ、例えば自由空間内で伝搬する光信号の（例えば出射結合した光信号の）所定の目標出力分布を与えるようにしたステップを含む。この製造するステップは、さらに、不均一な数密度分布に従って、光カプラの上に複数のマイクロ構造体を配置するステップを含む。
例えば、マイクロ構造体のパターンは、所定の密度分布に従っていてもよい。例えば、マイクロ構造体の位置は、この密度分布から抽出されてもよい。この密度分布は、光信号が集積導波路の平面から出射して結合するときに、その出力分布が所定の目標出力分布に一致するように選択されてもよい。
図５を参照して、アウトカップリングする出力分布Ｒを示している。これは、点光源の良好な近似を与えうる。一例として、光カプラが形成される平面の中央領域１０１では、例えばアウトカップリングした光波が中央領域１０１上の焦点に到達するまでの間に移動するより大きい距離を考慮して（例えば逆二乗距離損失ファクタを相殺するように）、アウトカップリングした光の出力が周辺領域１０２より低くなるようにしてもよい。このアウトカップリングの出力分布Ｒ（ｒ）は、以下の数学的モデルにより、光カプラにおける出力分布Ｐに関連していることがある。
Figure 2017538970
したがって、分布Ｐ（ｒ）は、このアウトカップリングした光の出力分布Ｒ（図５を参照）についてのモデルにより決定できる。例えば、図６に示す、本発明の実施形態に係る光カプラの一部１０３にわたる分布Ｐ（ｒ）を図７に示している。それゆえ、点光源を近似したアウトカップリングした光の出力分布（図５を参照）を得るために、図７に示す光カプラ内に、高い位置１０５から低い位置１０４にわたる出力分布勾配Ｐ（ｒ）を設けてよい。また、アウトカップリングする光の出力分布Ｒは、以下の式のとおり、散乱断面と散乱密度に関連している。
Figure 2017538970
したがって、断面がわかっているときには、ターゲット散乱密度ｎを定義できる。断面は、例えばLumerical社のソフトウェアを用いたシミュレーションにより得ることができる。例として、図８は、モードソース１１０と、散乱体として機能するマイクロ構造体（例えばシャローエッチング部）とを含むシミュレーションモデルを示す。また、このモデルは、シミュレーションにより散乱断面を計算するための散乱場を測定するためのフィールドモニタリングボックス１１２を有している。シミュレーションモデルでは、ＳｉＯ２１１４プラットフォーム上のＳｉＮ１１３を利用する。図９は、波長λの関数として散乱断面σの例示的なシミュレーション結果を示す。
図１０は、図９に示す例示的なシミュレーションの結果、および、図７に示す目標出力分布Ｐ（上述の数式に従う）に対応する散乱中心の例示的な分布を示す。例えば、図１１に示すように、この分布を用いて、本発明の実施形態に係る導波路内に製造されるマイクロ構造体の位置についてランダムサンプリングを行ってもよい。さらに、ランダムサンプリングを行った各位置を、例えば図１２に示すように最も近いグレーティングラインの位置に入るように調節してもよい。
散乱体は等方的でなくてもよいので、異方的な散乱を考慮に入れてもよい。図１３は、シミュレーションにより得られる散乱光の等光度表面を示す。図１４は、同じシミュレーションの２Ｄ散乱強度をプロットしたグラフである。図１４では、マイクロ構造体の中央領域１１８から周辺領域１１９に向けて散乱強度が低下していることが示されている。例えば、図１３、図１４では、モデル化されたマイクロ構造体のエッチングの長方形により誘導される異方性を見ることができる。図１５は、マイクロ構造体の異方性を考慮に入れた場合の散乱中心についての例示的な分布ｎを示している。図１６、図１７は、それぞれ、マイクロ構造体の異方性散乱が補償された分布ｎに従うマイクロ構造体のランダムサンプリングと、ランダムサンプリングが行われ、グレーティングライン上で最も近い位置に調整された、マイクロ構造体の位置を示している。
さらに、近似された点光源を与えるグレーティングカプラの適合性(conformity)は、メッシュツールを用いて、例えばマイクロ構造体の位置（例えば、上述の、当初のランダムサンプリングにより得られる）同士の間隔を調節し、シミュレーションにより得られた、各繰り返しにおけるターゲット点光源分布に対するアウトカップリングした場の適合性を改善することにより、さらに向上する。図１８は当該メッシュを示し、図１９、図２０は、２つのメッシュ補正の繰り返しにおけるマイクロ構造体の配置を示す。
図２１から図２３は、上述の手順により得られるマイクロ構造体を備えた光カプラ上で実施したシミュレーションにより得られた場を示す。シミュレーションを行った光カプラの寸法は、シミュレーション座標系のｚ＝０平面で１０μｍ×１０μｍである。光カプラは、１０μｍの距離（つまり、（ｘ，ｙ，ｚ）＝（０，０，１０）μｍの位置）に焦点を与えるように設計した。図２１は、座標系の原点から上記距離を隔てた位置に形成された焦点を示す。図２２は、焦点面内に形成された約２５０ｎｍの焦点を示す。図２３は、グレーティングカプラにより導波路から出射して結合する光の遠距離場を示す。
例えば、本発明の実施形態に係る光カプラは、イメージングデバイスでの使用に特に適していてもよい。例えば、こうしたイメージングデバイス（例えばレンズフリーのイメージングデバイス）は、本発明の第２の態様の実施形態に係るフォトニック集積回路を少なくとも１つ備えていてよい。この少なくとも１つのフォトニック集積回路は、光信号を誘導するための集積導波路と、集積導波路に光学的に結合し、集積導波路の面から出射する光信号を光ビームとして指向させるように構成された、本発明の実施形態に係る光カプラとを備えている。イメージングデバイスは、光ビームに照明されるオブジェクトを撮影するように配置された少なくとも１つの画像検出器を備えていてよい。オブジェクトは、例えば、流体（例えば、生物学的サンプルが浸漬された流体）を含んでいてもよい。イメージングデバイスは、撮影対象のオブジェクトを収容する（例えば、分析対象の流体媒質を収容する）ためのマイクロ流体チャネルを有していてもよい。
図１を参照して、本発明の実施形態に係る光カプラを備えたイメージングデバイス１を示している。特に、イメージングデバイス１は、レンズフリーのイメージングデバイスであり、例えば、オブジェクトに入射する光波の減衰、反射、屈折、回折および／または位相変調により得られる空間パターンを観察することにより、光学レンズ構造体を必要とすることなくオブジェクトの空間表現を得るためのデバイスである。レンズフリーのイメージングデバイスは、複数の光カプラと複数のマイクロ流体チャネルを有するレンズフリーの細胞選別デバイスであって、複数の光カプラがマイクロ流体チャネル内を移動するオブジェクトに光を照射するものであってもよい。例えば、各マイクロ流体チャネルは、オブジェクトに光を照射するための光カプラを有していてよい。イメージングデバイスは、例えば、顕微鏡撮影のように、拡大したオブジェクトを撮影する（例えば、拡大したオブジェクトの画像を取得する）ように構成されていてよい。イメージングデバイス１は、本発明の第２の態様に係るフォトニック集積回路２を少なくとも１つ有している。
例えば、イメージングデバイス１は、少なくとも１つのフォトニック集積回路２に光信号５を供給するための光源（例えば、少なくとも部分的にコヒーレントな光を発する光源）を備えていてよい。例えば、この光源は、フォトニック集積回路上に設けられた集積導波路に結合するための光（所定のバンド幅を有する少なくとも部分的にコヒーレントな光）を発するレーザダイオードまたは発光ダイオード（ＬＥＤ）を含んでいてよい。本発明の実施形態の１つの利点は、効率的で低コストの方法で、オブジェクトのホログラフィ撮影を行う（例えば、多くのオブジェクトのホログラフィ撮影を同時に）ことができることである。
イメージングデバイス１は、光ビーム９により照明されたオブジェクト１２を撮影するように配置された少なくとも１つの画像検出器１１（例えばＣＭＯＳ画像検出器）をさらに備えている。少なくとも１つの画像検出器１１は、例えば、生成する光ビームが集束光ビームである実施形態において、オブジェクトが光ビームの伝搬方向を基準として焦点面の下流側に配置された場合に、当該オブジェクトを撮影するように構成されていてもよい。さらに、イメージングデバイスは、この技術分野で知られた、画像の取得、デジタル化および／または伝送、および／または画像の保存を行うための他の部品を備えていてよい。また、イメージングデバイスは、画像処理のための演算（例えば、画像フィルタリング、画像変換、パターン認識および／または画像の圧縮）を行うように構成された処理手段（例えば、特定用途向け集積回路などのプロセッサ）を備えていてよい。
オブジェクト１２は、マイクロ流体チャネル内に含まれる流体（例えば、生物学的サンプルが浸漬された流体）を含んでいてよい。
少なくとも１つの画像検出器は、例えば、オブジェクト１２のホログラフィ回折画像を取得するように構成されていてもよいし、オブジェクト１２の蛍光画像を取得するように構成されていてもよい。
デバイスは、フォトニック集積回路２と少なくとも１つの画像検出器１１との間に配置され、光ビーム９に対して空間的なフィルタリングを行う（例えば、オブジェクトに到達する前の光ビームに対してフィルタリングを行う）少なくとも１つのピンホール１５を有していてよい。例えば、集束光ビームの波面は、焦点面に設けられたピンホールにより整形されてもよい（例えば、ピンホールコリメータは空間周波数の低いバンドパスフィルタを実装していてもよい）。したがって、少なくとも１つのピンホールコリメータは、集束した光ビームに対して空間的なフィルタリングを行うように焦点面に配置されていてよい。
少なくとも１つの画像検出器１１は、複数のオブジェクト１２を同時に撮影してもよい。ここで、複数のオブジェクトのそれぞれは、例えば、本発明の実施形態に係る（対応する）光カプラから出射した（対応する）光ビームにより各オブジェクトを照明するように、配置されている（例えば、各オブジェクトが（対応する）光カプラから出射した（対応する）集束ビームの伝搬方向を基準として焦点面の下流側に配置されている場合に）。また、実施形態に係る光カプラを備えたイメージングデバイスは、反射面を有していてもよく、その反射面と少なくとも１つの画像検出器は、照明されたオブジェクトから到来する光と光ビームとが反射面で反射され且つ反射後に少なくとも１つの画像検出器により検出されるように構成されていてよい。
第３の態様では、光カプラはディスプレイシステム内で利用されてもよい。ディスプレイシステムは、３Ｄディスプレイシステム（例えばホログラフィディスプレイシステム）であってもよい。ディスプレイシステムは複数の光カプラ（それぞれ上述の、集光する光カプラである）を有していてよい。ディスプレイシステムは、複数の導波路（それぞれ光カプラに光学的に結合している）を有していてよい。各光カプラは、導波路により供給される光信号がアウトカップリングして自由空間内で焦点を形成するように構成されていてよい。さらに、複数の光カプラは、さまざまな光カプラの焦点の集合が自由空間における仮想３Ｄオブジェクト（例えばホログラフィオブジェクト）を作るように構成されていてよい。例えば、各光カプラは、自由空間内で異なる位置に焦点を作るように、光を別の方向に再度指向させてもよい。
図２５は、ディスプレイシステムの実施形態を示す。ディスプレイシステムは、複数の光導波路２０１，２０１ａを備えている。各光導波路２０１，２０１ａは、それぞれ、少なくとも１つの光カプラ２０２，２０２ａに光学的に結合している。光導波路２０１，２０１ａに供給される光信号は、光カプラ２０２，２０２ａに向かって伝搬される。光カプラは、光導波路から出射した光信号が、自由空間内に焦点２０４，２０４ａを有する集束光ビーム２０５，２０５ａとして結合するように構成されている。複数の光カプラ２０２，２０２ａは、焦点２０４，２０４ａの集合が自由空間における仮想３Ｄオブジェクト（例えばホログラフィオブジェクト）を作るように構成されている。

Claims (15)

  1. 集積導波路（４）に光学的に結合させ、前記集積導波路内で伝搬する光信号（５）を自由空間内にアウトカップリングさせるための光カプラ（８）であって、
    複数のマイクロ構造体（２０２）を備え、
    前記複数のマイクロ構造体（２０２）の形状と位置は、前記光カプラ（８）内で伝搬する前記光信号（５）の減衰を補償し、かつ、自由空間内にアウトカップリングした前記光信号（５）の出力分布（２０１）を所定の目標出力分布に一致させるように適合しており、
    前記複数のマイクロ構造体は、それぞれ光散乱中心を形成し、
    前記複数のマイクロ構造体は、不均一な数密度分布に従って、前記光カプラの上に配置されている、
    光カプラ。
  2. 前記不均一な数密度分布は、前記所定の目標出力分布を与えるように適合した連続的密度分布の離散サンプリング近似である、
    請求項１に記載の光カプラ。
  3. 前記光カプラはグレーティングラインを有し、
    前記複数のマイクロ構造体（２０２）は、前記グレーティングラインの上に設けられている、
    請求項１または２に記載の光カプラ。
  4. 前記複数のマイクロ構造体（２０２）の三次元形状と二次元形状は、自由空間内で伝搬する前記光信号のガウシアン出力分布を与えるように適合している、
    請求項１から３のいずれか１項に記載の光カプラ。
  5. 前記光カプラ（８）は、アウトカップリングした光信号を、焦点に向けて集光された集束光ビームとして自由空間内に集束させるように構成されている、
    請求項１から４のいずれか１項に記載の光カプラ。
  6. 請求項５に記載の光カプラを複数備えた３Ｄディスプレイであって、
    前記複数の光カプラは、該複数の光カプラが生成する焦点の集合が自由空間において三次元画像を作るように構成されている、
    ３Ｄディスプレイ。
  7. 光信号を誘導するための集積導波路（４）と、請求項１から５のいずれか１項に記載の光カプラ（８）とを備え、
    前記光カプラ（８）は、前記集積導波路（４）に光学的に結合し、かつ、前記集積導波路（４）の平面から出射した光信号（５）を光ビーム（９）として指向させるように構成されている、
    フォトニック集積回路（２）。
  8. 前記光カプラは、前記集積導波路の一部を構成している、
    請求項７に記載のフォトニック集積回路（２）。
  9. 前記複数のマイクロ構造体は、少なくとも部分的に、前記集積導波路内に製造されている、
    請求項７または８に記載のフォトニック集積回路（２）。
  10. 前記複数のマイクロ構造体は、前記集積導波路に形成されたスルーホールを有している、
    請求項７から９のいずれか１項に記載のフォトニック集積回路（２）。
  11. 前記複数のマイクロ構造体は、少なくとも部分的に、前記集積導波路の上に製造されている、
    請求項７から１０のいずれか１項に記載のフォトニック集積回路（２）。
  12. 集積導波路から到来する光信号を自由空間内に光学的にアウトカップリングさせるための光カプラを製造する方法であって、
    所定の目標出力分布を与えるように適合した連続密度分布の離散サンプリング近似として不均一な数密度分布を決定するステップと、
    集積導波路内および／または集積導波路上に光散乱中心を形成する複数のマイクロ構造体を製造するステップであって、前記複数のマイクロ構造体の形状と位置が、前記光カプラ内で伝搬する光信号の減衰を補償し、かつ、例えば自由空間内で伝搬する光信号の前記所定の目標出力分布を与えるようにしたステップと、
    前記製造するステップは、前記不均一な数密度分布に従って、前記光カプラの上に前記複数のマイクロ構造体を配置するステップとを含む、
    方法。
  13. 請求項１から５のいずれか１項に記載の光カプラの、ディスプレイシステムにおける使用。
  14. 請求項１から５のいずれか１項に記載の光カプラの、３Ｄディスプレイシステムにおける使用。
  15. 請求項１から５のいずれか１項に記載の光カプラの、レンズフリー細胞選別システムにおける使用。
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