(57)【要約】  少なくとも１つのマイクロミラーを基板の上方に弾性的に支持して有する間隔制御式エタロンを備える光変調器。少なくとも１つの絶縁ストッパが、マイクロミラーが印加電圧によって基板に向かって引き寄せられるときの短絡を防止するために、マイクロミラーと基板との間に設けられている。光検出器が、第１のレーザパルスの到着時刻を検出する。制御回路が、第１のレーザパルスの到着時刻から次の入射レーザパルスの到着時刻を予測し、制御信号に応答して、変調器を透過する光を最大または最小にするために予測される時間に、マイクロミラーを絶縁ストッパに当接して保持されるプルダウン位置に拘束し、あるいはマイクロミラーを解放する。所定の回数の機械的振動を許容するように計算された時間間隔の後に、マイクロミラーが、ストッパへと引き戻される。
2009512891.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号を変調するための変調器であって、
少なくとも１つのマイクロミラーを基板の上方に弾性的に支持して備える間隔制御式エタロン
を備えるとともに、
動作時にマイクロミラーと基板との間に電圧を印加することで、マイクロミラーを平衡位置から基板に向かって変位させ、マイクロミラーを平衡位置と基板との間の位置に保持するように構成されている制御回路
をさらに備える変調器。
【請求項２】
電圧が印加されたときにマイクロミラーと基板とが接触することがないように、マイクロミラーと基板との間に位置する少なくとも１つの絶縁ストッパをさらに備える、請求項１に記載の変調器。
【請求項３】
印加される電圧が、弾性的に支持されたマイクロミラーを少なくとも１つの絶縁ストッパに接触させるように計算される、請求項１または２に記載の変調器。
【請求項４】
電気制御回路が、マイクロミラーと基板との間に印加される電圧を減らしてマイクロミラーを解放するように構成されている、請求項１から３のいずれか一項に記載の変調器。
【請求項５】
制御回路が、レーザパルスの変調器への到着時刻に応答してマイクロミラーを解放するように構成されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の変調器。
【請求項６】
制御信号に応答して、制御回路が、遠方のレーザ源から受信される連続パルスの入射光の透過を最大化または最小化するように計算された連続する時点においてマイクロミラーを解放し、あるいは解放しないことで、透過パルスを変調するように構成されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の変調器。
【請求項７】
制御回路が、マイクロミラーの解放の時刻に応答して所定の時間の後に、電圧を再び印加するようにさらに構成されている、請求項１から６のいずれか一項に記載の変調器。
【請求項８】
マイクロミラーが、低い大気圧の空間に配置され、好ましくは実質的に真空に配置されている、請求項１から７のいずれか一項に記載の変調器。
【請求項９】
エタロンを透過した光を再びエタロンを通って逆反射させるように構成された逆反射器をさらに備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の変調器。
【請求項１０】
光信号を変調するための変調器であって、
それぞれが少なくとも１つのマイクロミラーを基板の上方に弾性的に支持して備える複数の間隔制御式エタロン
を備え、
動作時にそれぞれのマイクロミラーと基板との間に電圧を印加することで、マイクロミラーを平衡位置から基板に向かって変位させ、それぞれのマイクロミラーを平衡位置と基板との間の位置に保持するように構成されている制御回路
をさらに備える変調器。
【請求項１１】
複数の間隔制御式エタロンが、アレイに配置されている、請求項１０に記載の変調器。
【請求項１２】
複数の間隔制御式エタロンが、それぞれを別個に制御することができる別個の領域へと区分けされることで、動作時に変調器の透過光に空間パターンが与えられる、請求項１０または１１に記載の変調器。
【請求項１３】
空間パターンが、透過光の位相および強度の少なくとも一方によって特徴付けられている、請求項１２に記載の変調器。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか一項に記載の変調器を備える、空間光変調器。
【請求項１５】
アレイを備える変調器であって、透過ビームに空間パターンをもたらして、アレイを空間光変調器として挙動させるように、グループを別個に制御することができる、変調器。
【請求項１６】
エタロンを透過した光を再びエタロンを通って逆反射させるように構成された逆反射器をさらに備える、請求項１０から１４のいずれか一項に記載の変調器。
【請求項１７】
逆反射器が、少なくとも１つの逆反射素子を備え、複数の間隔制御式エタロンが、少なくとも１つのそのような逆反射素子の前方に位置している、請求項１５に記載の変調器。
【請求項１８】
請求項１から１７のいずれか一項に記載の変調器および空間光変調器の少なくとも一方を備える、光通信のためのシステム。
【請求項１９】
光信号が、連続波信号である、請求項１４に記載のシステム。
【請求項２０】
光の変調方法であって、
少なくとも１つのマイクロミラーを基板の上方に弾性的に支持して備える間隔制御式エタロンの表面にて、入射光を受信すること、
マイクロミラーと基板との間に電圧を印加することで、マイクロミラーを平衡位置から基板に向かって変位させること、および
マイクロミラーを平衡位置と基板との間の位置に保持すること
を備える方法。
【請求項２１】
入射光が、赤外のスペクトル（１μｍ〜１５μｍの波長）にある、請求項１１に記載の方法。
【請求項２２】
マイクロミラーを切り替えし、あるいは切り替えせず、検出器が変調の存在または非存在を検出することによって通信が達成される、変調器。
【請求項２３】
論理「１」または論理「０」を達成するために異なる時点においてマイクロミラーを切り替え、検出器が変調の存在または非存在を検出することによって通信が達成される、変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光信号の変調のための装置、方法、信号、およびコンピュータプログラム、ならびにこれらを取り入れてなるシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
自由空間光通信システムの可能性は、視線上の２点の間に広帯域のデータリンクをもたらすための手段として、広く認知されている。そのようなシステムについて、大都市地域における通信リンクの構成要素としての用途、および開いた間取りの事務所（ｏｐｅｎ  ｐｌａｎ  ｏｆｆｉｃｅ）におけるローカルエリアネットワークの構成要素としての用途など、いくつかの用途が考えられている。
【０００３】
本出願と同時に係属中である米国特許出願第１０／４８３，７３８号（Ａ．Ｍ．Ｓｃｏｔｔら）が、間隔を制御することができるエタロンとエタロンを介して受信される光を再びエタロンを通って光源に向かって反射させるように構成された逆反射器とを組み合わせて使用する動的な光反射器およびインタロゲーションシステムを開示している。
【０００４】
米国特許出願第２００２／０１０６４４Ａ１号は、入射光の位相変調のための光変調装置およびシステムに関する。米国特許出願第２００４／０００８３９６Ａ１号は、差動駆動のＭＥＭＳ空間光変調器であって、入射光の位相変調も達成する光変調器に向けられている。これらの特許出願はどちらも、エタロン構造の使用を開示していない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、情報がビームと一緒に送信されるように光ビームを変調する手段に関する。逆反射器と組み合わせることによって、光ビームを生成する必要がなく、入射するビームを反射および変調することによって受動的に機能する通信デバイスを形成することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、（１つ以上の）光ビームの強度または位相を制御するために使用することができる変調器を提供する。この変調器は、マイクロミラーを基板の上方に支持してなるマイクロ光電子機械システム（ＭＯＥＭＳ）ミラー構造の単一の素子またはアレイにもとづいている。これを、基板（例えば、シリコン）が透過性である波長において透過に使用することができ、基板およびミラーの材料が弱吸収性であるかなり幅広い範囲の波長において反射に使用することができる。
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、光信号を変調するための変調器が提供され、変調器が、少なくとも１つのマイクロミラーを基板の上方に弾性的に支持して備える間隔制御式エタロンを備えるとともに、さらに動作時にマイクロミラーと基板との間に電圧による静電気力を印加することで、マイクロミラーを平衡位置から基板に向かって変位させ、マイクロミラーを平衡位置と基板との間の位置に保持するように構成されている制御回路を備える。
【０００８】
一実施形態においては、マイクロミラーが、平衡位置と基板との間の位置に、そのような位置に達した後に電圧を維持する必要なく保持される。
【０００９】
一実施形態においては、変調器が、電圧が印加されたときにマイクロミラーと基板とが接触することがないように、マイクロミラーと基板との間に位置する少なくとも１つの絶縁ストッパをさらに備える。マイクロミラーを、「保持」電圧を加えることによって、絶縁ストッパへと押さえつけることができる。
【００１０】
さらなる実施形態においては、しきい値電圧よりも上において、ミラーが１つ以上の終端ストッパに物理的に接触するように移動する。このしきい値電圧は、静電気力がデバイスの変位に起因する機械的な復帰力を超える（一般に、「ラッチ（ｌａｔｃｈ）」、「プルイン（ｐｕｌｌ−ｉｎ）」、または「プルダウン（ｐｕｌｌ−ｄｏｗｎ）」として知られている状態）ときの電圧である。さらに、１つ以上の終端ストッパを取り入れることで、プルダウン位置にあるときのミラーと基板との間の所定のオフセットを定めることができる。有利には、このオフセットを、広い角度範囲にわたって光の透過が少ない状態に一致するように設計することができる。
【００１１】
電気制御回路を、マイクロミラーと基板との間に印加される電圧を減らすことによって、マイクロミラーをプルダウン位置から解放し、あるいはプルダウン位置にないときのミラーの高さを調節するように構成できる。マイクロミラーが真空中にある場合、マイクロミラーが機械的に振動でき、したがって保持電圧が所定のしきい値未満へと減らされた後、マイクロミラーと基板との間の間隔が時間とともに変化する。
【００１２】
制御回路を、レーザパルスの変調器への到着時刻に応答してマイクロミラーを解放するように構成できる。
【００１３】
変調器は、制御信号に応答して、制御回路が、遠方のレーザ源から受信される連続パルスの入射光の透過を最大化または最小化するように計算された連続する時点においてマイクロミラーを解放し、あるいは解放しないことで、透過パルスを変調するように構成されているような変調器であってよい。
【００１４】
さらに制御回路を、マイクロミラーの解放の時刻に応答して所定の時間の後に、電圧を再び印加するように構成できる。
【００１５】
電圧の再印加の時刻が、ミラーの１回の機械的振動または整数回の機械的振動に一致する場合、ミラーは電圧が印加されるときに基板の近くにあり、速やかにプルダウン位置に復帰する。
【００１６】
マイクロミラーを、低い大気圧の空間に配置することができ、好ましくは実質的に真空に配置することができる。
【００１７】
マイクロミラーが真空中にあるとき、機械的な運動は、空気の粘性抵抗（ｄｒｕｇ）によって減衰されることがなく、ミラーの機械的振動によって決定される速度で応答する。大気圧においては、すべての運動が空気の粘性抵抗によって大幅に低減される。
【００１８】
さらに、変調器は、密に並べられたパターンのマイクロミラーのアレイを備えることができ、すべてのマイクロミラーが、同じ時刻に同じ運動で動くように制御される。この場合、変調器から現われるビームのダイバージェンスを、単一のマイクロミラーのサイズによってではなく、アレイ全体のサイズによって決定できる。
【００１９】
変調器は、エタロンを透過した光を再びエタロンを通って逆反射させるように構成された逆反射器をさらに備えることができる。変調器が、コヒーレントなやり方で動くように制御されるマイクロミラーのアレイを備える場合、逆反射器によって逆反射されるビームのダイバージェンスを、マイクロミラーそのもののサイズによってではなく、逆反射器のサイズによって決定することができる。
【００２０】
さらに本発明は、通信を目的とするシステムであって、本発明を具現化する装置の１つ以上の実例を他の追加の装置とともに備えるシステムを提供する。
【００２１】
詳しくは、本発明のさらなる態様によれば、第１の態様による変調器を備える光通信用システムが提供される。
【００２２】
さらに本発明は、上述の装置を動作させる方法であって、装置のすべての機能を実行するための方法ステップを含む方法に向けられている。
【００２３】
さらに本発明は、機械で読み取ることができる形式のコンピュータソフトウェアであって、動作時に上記装置および／または方法のすべての機能を実行するように構成されたコンピュータソフトウェアを提供する。この文脈において、コンピュータプログラムは、本発明の実施に使用されるチップおよび／または回路レイアウトを記述、模擬、または実現するために使用されるハードウェア記述コードを包含するように意図されている。
【００２４】
さらに本発明は、本発明の動作において使用される新規な信号に向けられている。
【００２５】
当業者にとって明らかであるとおり、好ましい特徴を適宜に組み合わせることができ、本発明の任意の態様に組み合わせることができる。
【００２６】
次に、本発明をどのように実行に移すことができるかを示すため、本発明の実施形態を、以下で添付の図面を参照しつつ、あくまで例として説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図１ａから図１ｃを参照すると、（１つ以上の）光ビームの強度を制御するために使用できる変調器が、単一の素子１０にもとづいており、あるいは１つ以上のマイクロミラー１０が基板１３の上方に支持１２されているＭＯＥＭＳミラー構造のアレイ１１にもとづいている。この構成を、基板（例えば、シリコン）が光学的に透過性である波長の透過に使用することができ、実質的により広い範囲の波長の反射に使用することができる。
【００２８】
個々の素子は、１ミクロン未満から数ミクロンの間の間隔にて基板１３の上方に支持されたマイクロミラー１０を有する。マイクロミラーは、基板とマイクロミラーとの間に電圧が加えられたときに、静電気力によってマイクロミラーが平衡位置（電圧が加えられていない）から基板に向かって引かれるように、ばね１４によって支持されている。
【００２９】
電圧駆動の静電気デバイスにおいては、所与のしきい値未満であれば、静電気力がデバイスの変位に起因する機械的な復帰力と平衡して、デバイスが安定な平衡状態となる。このしきい値を超えると、静電気力が復帰力を超え、マイクロミラーが基板に向かって制御不能に移動する（一般に「ラッチ」、「プルイン」、または「プルダウン」として知られている状態）ため、デバイスは不安定になる。しきい値を超える電圧を加えることで、所与の駆動電圧においてより大きな範囲（典型的には、しきい値未満の仕組みに対して約３倍）でミラーを動かすことができる。
【００３０】
マイクロミラーは、任意の平面形状であってよいが、実質的に平坦かつ基板に平行でなくてはならない。マイクロミラーは、有利には正方形であってよいが、他の形状であってもよい。アレイにおいて密に密集させることができる形状（例えば、三角形、長方形、および六角形）が、特に好ましい。
【００３１】
このデバイスへと光１５ａが導かれると、光の一部は反射１５ｂされ、一部は基板へと透過１５ｃして、反対側から出る（基板が透過性であるような波長の場合）。支持ミラーによる反射および透過光が、基板による反射および透過光と干渉し、したがってデバイスの実際の透過および反射は、デバイスへの光の入射の角度、支持ミラーと基板との間の間隔、ならびに支持マイクロミラーの厚さ、マイクロミラーの素材の屈折率、および入射光の波長などといったシステムの他の所定の特性に応じて、高低の値の間でさまざまである。
【００３２】
動作時、マイクロミラーと基板との間の間隔が変化するにつれ、透過が高低の値の間で変化し、すなわち入射光の変調手段がもたらされる。変調は、透過または反射モードにて機能することができる。マイクロミラーが、典型的には厚さが１ミクロン未満であって、シリコンが高度に吸収性である可視の領域においても半透明であり、したがってシリコンから製作される変調器を、可視の帯域において反射に使用できることに留意されたい。当業者にとって明らかであると考えられるが、例えば二酸化シリコンまたはチッ化シリコンなど、シリコン以外の材料も使用可能である。この場合、基板は、透明でなければならない（例えば、二酸化シリコンまたはチッ化シリコンであってよい）と考えられ、マイクロミラーおよび底層は、二酸化シリコンまたはチッ化シリコン、あるいはシリコンの薄い層または材料の組み合わせであると考えられる。
【００３３】
変調器の透過および反射特性を、本明細書の式２に提示されるように、ファブリーペローエタロンによる透過および反射についての既知の式を使用して、説明することができる。反射および透過光が、位相のシフトならびに振幅の変化を受けることに、留意されたい。これを、光ビームの位相の変調が求められるデバイスにおいて利用することも可能である。
【００３４】
マイクロミラーは、ミラーを密にタイル状に並べることによって広い領域を覆うアレイとして製造される場合、空間光変調器（ＳＬＭ）となる。ＳＬＭにおいて、マイクロミラーを、個々に制御することができ、グループにて制御することができ、あるいはすべてをまとめて制御することができる。好ましくは、マイクロミラーアレイの素子が、コヒーレントに動くように構成または操作され、すなわち得られる光の位相がアレイの全体にわたって一様であるように、同じタイミングおよび振幅で同期して動くように構成され、多数の（おそらくはすべての）マイクロミラーのグループにおいて、デバイスへと入射する波面の各部に実質的に一様な効果をもたらすために、素子が一緒に動く。これは、変調された光の回折特性が、広がった波面によって決定され、単一のマイクロミラー素子による回折によって決定されるわけではないという利益を有する。小さなミラーからなるアレイは、より大きなデバイスと比べたとき、ミラーの平坦性を良好に保ちつつ、高い速度の達成を可能にする。
【００３５】
マイクロミラーはそれぞれ、２つの電圧状態を使用して制御されたときのミラーの位置を確証できる２つの安定位置の間で操作される。その第１は、ミラーと基板との間に電圧が加えられていない（あるいは、所与のしきい値を下回る電圧が加えられている）ときに、マイクロミラー１０が基板の上方に動かずに支持されている「平衡位置」である。電圧が加えられない実施形態においては、支持ばね１４の伸びは存在しない。別の実施形態においては、変調器の状態が変化するときに電池を充電することによって変調器の全体としての電力消費を低減するために、しきい値未満の電圧が加えられる。ミラーは、静電気力と機械的な力とが平衡するより下方の平衡位置（元の平衡位置（電圧が加えられていない）と基板との間）に位置することになる。
【００３６】
第２の位置は、しきい値を超える電圧が加えられ、マイクロミラーが基板に向かって強く引き下げられた「プルダウン」位置である。
【００３７】
絶縁ストッパ（例えば、ボスまたは他の隆起した電気絶縁性のフィーチャ）１６を、基板とマイクロミラーとの間に設けることができ、したがって電圧がしきい値を超えたとき、ミラーがストッパへと引き寄せられて当接するが、それ以上基板に向かって引き寄せられることはない。したがって、このようなプルダウンストッパによれば、望ましくないマイクロミラーと基板との間の電気的接触を防止することができる。そのような電気的接触は、短絡および電気的損傷につながりかねない。さらに、１つ以上の終端ストッパを取り入れることで、プルダウン位置にあるときのミラーと基板との間に、所定のオフセットを定めることができる。さらに、機械的な減衰がもたらされ、静止までの時間が短くなる。有利なことに、このオフセットを、幅広い角度範囲にわたって透過が少ない状態に対応するように、特定的に設計することができる。好ましくは、終端ストッパは、機械的な接触の付着エネルギーに打ち勝つべく追加のエネルギーをもたらすために、プルダウン位置のミラーにわずかな湾曲をもたらすことができるように構成される。考えられる一実施形態においては、実質的に正方形または矩形のミラーが、ミラーのそれぞれの角またはその付近、ならびにミラーの中央またはその付近に、終端ストッパを取り入れている。
【００３８】
ミラーは、ＭＥＭＳプロセス、好ましくは多結晶シリコン表面マイクロマシニングプロセスを使用して実現できる。好ましくは、終端ストッパが、基板上の１つ以上のブシュ１６（絶縁されたアイランド）およびミラーの下方のくぼみ１７を使用して実現される。さらに好ましくは、ブシュを、チッ化シリコンおよび／または多結晶シリコンで構成でき、ミラーおよびくぼみを、多結晶シリコンで構成できる。
【００３９】
小さな電圧が加えられたとき、マイクロミラーは、平衡位置からわずかな量だけ移動する。電圧が特定のしきい値を超えると、この移動が不安定になり、マイクロミラーが「プルダウン位置」へとぱたりと落ち込む（ｓｎａｐ  ｄｏｗｎ）。アナログの制御電圧を加えて、マイクロミラーを基板からの任意の距離へと動かすことは、電圧について微細な制御が必要であり、アレイ内のミラー間で経路長が相違するがために電圧降下に左右されやすいことから、困難である。通常または単純な制御システムにおいては、アナログ制御のもとでのマイクロミラーの移動は、平衡位置とプルダウン位置との間の道程のうちの約３分の１に限られ、その後にマイクロミラーは、勢いよく完全なプルダウン位置へと移動してしまう。実際には、本発明においては、このスナップダウン位置が好ましく使用され、２つの不連続な電圧状態を使用してマイクロミラーが平衡位置とプルダウン位置との間で好ましく切り替えられる。
【００４０】
マイクロミラーに印加電圧信号からもたらされる力が加えられるとき、その運動は、ミラーの機械的な共振周波数および大気の減衰効果によって決定される。ミラーならびにミラーのばね系が、通常の市販のソフトウェアツールで割り出すことができる共振周波数にて、古典的な共振器として挙動する。所与の構成における正確な共振周波数は、ばねの強さおよびミラーの質量ならびに減衰の程度に依存する。例えば、２つの直線ばねおよびサイズが２５ミクロン×２５ミクロンであるミラーからなる典型的な構造においては、この共振周波数は、３００ｋＨｚ程度であり得る。より大きなミラーは、これよりも大幅に低い共振周波数を有し得る。より剛なばねを備えるデバイスは、これよりも大幅に高い共振周波数を有し得る。
【００４１】
大気圧および数十ミリバールまでの圧力においては、空気がマイクロミラーの運動を大きく減衰させ、状態間の変化に要する時間が、この減衰プロセスによって支配される。数ミリバール以下の圧力においては、マイクロミラーは、高Ｑ共振器として挙動し、すなわち強い振動の形式で運動する。この振動は、ミラーが引き下げられて、プルダウンストッパに当接して保持されるときには、プルダウンストッパが機械的な減衰をもたらすがゆえに生じないが、マイクロミラーが印加電圧をゼロ（または、プルダウン位置への保持に必要なしきい値を下回る電圧）へと切り替えることによってプルダウン位置から解放されるときに明白である。
【００４２】
マイクロミラーが真空中で解放される場合、マイクロミラーは、平衡位置に向かって跳ね上がり、次いでこの位置を中心にして、各周期の後にプルダウン位置の近くへと戻るように振動する。これに対する減衰は、おそらくはきわめて弱く、したがって運動が、きわめて予測可能な形式で継続し、振幅および周波数は、正確な真空の程度や最初にマイクロミラーを保持するために使用されていた絶対的な電圧に比較的無関係である。
【００４３】
基板の上方のマイクロミラーの変位は、
ｘ（ｔ）＝ｘ０−（ｘ０−ｘ１）ｃｏｓ（Ωｔ）ｅｘｐ（−βｔ）    （１）
によって与えられ、
ここでｘは、基板からマイクロミラーまでの距離であり、ｘ０は、平衡位置であり、ｘ１は、プルダウン位置であり、ｔは、マイクロミラーの解放からの時間であり、Ωは、共振周波数であり、βは、減衰係数である。
【００４４】
低い圧力においては、振動の減衰係数が小さく、したがって振動がオーバーシュートを呈するため、例えばプレートに必要とされる最大の離間（マイクロミラーと基板との間の離間）が１．５ミクロンである場合、平衡位置を０．７５ミクロンの付近となるように設計し、必要とされる最大の離間を達成するためにオーバーシュートに頼ることが可能である。プレートの離間の全範囲が、エタロンが基板からの最小の離間から最大の離間まで移動する第１の半サイクルにおいて対処される。半周期と全周期との間の或る時刻の後で、基板の電圧が再び印加され、プレートが振動を続けているため、再び基板に向かって移動し、マイクロミラーが印加電界によって再び拘束され、最初の「プルダウン」位置へと復帰する。１周期における典型的なプレートの離間は、時間に対して、図２に示したとおりであり、水平軸が時間を（任意単位で）示し、垂直軸がマイクロミラーの基板からの隔たりを示している。この図示の例では、平衡位置は１ミクロンである。代案として、マイクロミラーを所定の回数（１、２、または３以上）だけ振動させ、その後に電圧を再印加して、マイクロミラーをプルダウン位置に再拘束することも可能である。
【００４５】
このやり方でマイクロミラーの解放のタイミングを制御することによって、運動の全範囲にわたってミラー位置の制御を、細かな電圧の制御にではなく、タイミング制御に依存して行うことができる。そのような細かいタイミングの制御は、高速なデジタル電子機器（例えば、０．３５ミクロンのＣＭＯＳ）を使用して達成することができる。
【００４６】
次に、図３ａおよび図３ｂを参照すると、ファブリーペローエタロンにおける透過および反射の式（式２が透過を示している）を、時間とともに変化するマイクロミラーと基板との間の間隔の式に組み合わせて使用して、エタロンミラーの間隔が図３ａおよび図３ｂに示すような時間依存に従うときのマイクロミラーの透過の時間変化を割り出すことができる。図３ａが、垂直入射についての実験による透過のデータを示す一方で、図３ｂは、６０度の入射角度の場合の該当のデータを示している。やはり、水平軸が、時間を示す一方で、垂直軸は、マイクロミラーの光の透過を示している。
【００４７】
図示の第１の例においては、エタロンの面に垂直に入射する光について、マイクロミラーが上昇して基板から離れるときに２つの透過のピークが生じ、これに対応する２つのピークが、マイクロミラーが基板に向かって引き戻されるときに生じる。第２の例は、６０度の場合には、マイクロミラーが最大変位へと移動するときに透過のピークが１つ存在し、プルダウン位置へと戻るときに第２のピークが存在することを示している。しかしながら、ピークのタイミングおよび数は、光ビームの入射の角度とともに変化し、したがってエタロンのタイミングを最適化するためには、入射の角度を知ることが強く望まれる。それぞれのグラフは、２つの温度（約２０度および７０度）における透過特性を示しており、これら２つの動作値の間に良好な度合いの一貫性が見られている。
【００４８】
あるいは、振動パターンの測定を、変調器への光の入射の角度を割り出すために使用することができる（実際には、ｃｏｓ（θ）についての測定（θは入射の角度）がもたらされる）。
【００４９】
このデバイスを、検出器システムが変調器によって生み出される動的な変調を解像できるのであれば、連続波（ＣＷ）レーザ（または、予測可能なパルスパターンを有するレーザ）を制御するために使用することができる（図９ｂおよび図９ｃ）。あるいは、パルスの継続時間がマイクロミラーの振動の周期よりも有意に短いならば、繰り返しパルスレーザを制御するために使用することができる（図９ａ）。この場合、インタロゲータシステム（新たな図１０または図９ｃ）の検出器は、必ずしも変調器の動的な挙動を解像できる必要はなく、インタロゲータの個々のパルスを解像できればよい。入射パルスの到着時刻を検出する検出器からなるタイミング回路を使用することができ、入射パルスのタイミングが、次のパルスの正確な到着時刻を予測するために使用される。マイクロミラーをプルダウン位置に保持し、レーザパルスの到着予定時刻においてマイクロミラーシステムがパルスに所望の量の変調を加えるための位置にあるように、計算された時刻に解放することができる。
【００５０】
次に図４を参照すると、エタロンの動的な応答が、時間（クロックパルス）に対して示されている。最も上部の軌跡４１は、入射するレーザパルスを示しており（任意単位）、中央の軌跡４２は、マイクロミラーへと加えられる電圧（プルダウン電圧が、「２．５×１０−６」に対応し、０Ｖが、「２×１０−６」に対応している）を示しており、最も下方の軌跡４３は、基板とＭＥＯＭＳミラーとの間の間隔を示している（目盛りはメートル）。
【００５１】
レーザパルスが、最大変位の付近において到着した場合（第１および第３のパルス）、透過が最大であり、論理１が伝達される。レーザパルスが、ミラーが基板に近いときに到着した場合（第２のパルス）、透過は最小であり、論理０（ゼロ）が伝達される。
【００５２】
次に図５を参照すると、軌跡５１が、マイクロミラーの駆動電圧を示しており、軌跡５２、５３が、２つのレーザパルスの透過パワーを示している場合について、実験データを示している。マイクロミラーの解放と第１のパルスの到着との間の遅延は、透過が大５２であるようにされている。マイクロミラーの解放と第２のパルスの到着との間の遅延は、透過が小５２であるようにされている。
【００５３】
変調器を、逆反射器、検出器、および駆動用電子機器と一緒に使用して、図９ｃに示されているように遠方のインタロゲータシステムと通信できるトランスポンダを形成することができる。右側に、トランスポンダが図示される一方で、左側には、コリメータレンズ９８を備えたレーザ９５および集光レンズ９６を備えた検出器９７が示されている。トランスポンダが充分に遠く、トランスポンダからの光が回折および拡散して、レーザインタロゲータへと戻るだけでなく、広がって受信光学系にも進入する場合、検出器が、どの光がトランスポンダから反射されて戻されたのかを検出する。この場合、インタロゲータが、遠方のトランスポンダによって生み出された変調を検出する。
【００５４】
受信されるパルスに加えられる変調は、振幅変調、または移動変調、あるいは両者であってよい。
【００５５】
真にＣＷであるインタロゲータにおいては、トランスポンダが、必ずしも検出器を必要とせず、単純にインタロゲータによって検出される変調パターンを送り出すことができる。あるいは、インタロゲータの光の存在を検出するために、検出器を使用してもよい。擬似ＣＷ変調インタロゲータにおいては、トランスポンダの検出器が、インタロゲータのビーム内のタイミング情報（例えば、強度の急上昇または強度の中断）を使用し、変調をタイミング情報に同期させることができる。一連の短いパルスを生成するインタロゲータの場合には、トランスポンダが、１つのパルスの到着を検出し、このタイミング情報を、次のパルスの変調を生成するための最適なタイミングを割り出すために使用することができる。最適な解放時刻を、例えば１つのパルスの到着を検出し、到着の角度についての情報を集め、最適な遅延を割り出すべくルックアップテーブルを使用することによって決定できる。例として、システムを、パルスの透過または反射を最大値と最小値との間で切り替えるために使用することができ、もしくはパルスの振幅を、すべてが同じ強度になるように、あるいは何らかのやり方で符号化されるように、制御するために使用することができる。これを、振動の最初の半周期において行うことができる。また、これを、機械的振動の際の任意の予測可能な点において行うことも可能であり、あるいはマイクロミラーを２回振動させ、第２の振動においてパルスの変調を達成することも可能である（全二重の通信を達成したい場合に重要である）。
【００５６】
次に図６を参照すると、上述のように、１つのパルスの到着を検出し、この情報を使用して、次のパルスを変調すべくマイクロミラーを解放することができるよう、変調器６１に検出器６２を組み合わせることができる。
【００５７】
次に図７を参照すると、上述の仕組みの変種において、遠方のレーザ発光体を、繰り返しの短パルスレーザシステムを長パルスまたは連続波のレーザシステムに組み合わせて構成することができる。この構成において、短パルスを、タイミングパルスとして使用することが可能である。変調器が、タイミングのための短パルスを使用し、光の連続波部分または長パルス部分に変調を加えることができる。したがって、変調されるビームを、例えばタイミングパルスに対する変調の時間シフトによってエンコードすることができる。インタロゲータが、充分に高速な検出器または敏感な検出器を有する場合には、インタロゲータのビームにタイミング情報を持たせる必要、およびトランスポンダに検出器を持たせる必要は、必ずしもないかもしれない。インタロゲータの検出器が、時間分解された変調を検出でき、あるいは平均の逆反射パワーの小さくかつ高速な変化を検出できる。
【００５８】
図７は、タイミングパルス７１と擬似ＣＷレーザパルス７２とを含むレーザパルスによる変調器６１のインタロゲーションを示している。擬似ＣＷ部分が変調７３されている。各パルスを変調するか、あるいは変調しないかによって、ビームをエンコードすることができ、あるいは変調または時間遅延の変調の適用を選択することができる。最初のタイミングパルスを使用することができ、あるいは矩形波インタロゲーションパルスの立ち上がり縁を使用することができる（左下の例を参照）。変調されたパルスの例は、右の中ほどに示されている。
【００５９】
次に図８を参照すると、変調器６１を逆反射器８１に組み合わせ、変調逆反射器として機能させることができる。変調器のマイクロミラー素子は、例えば差し渡しが２５μｍ程度であってよく、逆反射器の素子は、大幅に大きくてよく、例えば差し渡しが５〜１５ｍｍであってよい。個々のマイクロミラーがコヒーレントに動く場合、変調器を通過する光のダイバージェンスは、アレイの全体サイズによって決定され、単一のマイクロミラーによる回折に起因するダイバージェンスによっては決定されない。比較的大きな逆反射素子を使用することは、きわめて平行な反射光ビームを形成する上で役に立つ。したがって、変調逆反射デバイスを、パルスのパターン８２を送信するレーザインタロゲータによって照射することができる。変調逆反射デバイスが、到着するパルスを変調し、パルス８３をインタロゲータへと逆反射させる。ここで、インタロゲータのパルスは、基本的にパルス状であり、逆反射される光は、完全に逆反射され、あるいは完全に減衰させられる。したがって、インタロゲータは、逆反射されたパルスを受信して、一連の「１」および「０」としてデコードできる。この変調器の構成は、パルスを検出するために検出器６２を使用することができ、１つのパルスの検出を使用して次のパルスの到着時刻を予測し、次のパルスを変調すべくマイクロミラーの解放時刻を決定するために、制御ユニット８４を使用することができる。この場合、逆反射器への到着の角度が、管理されていなければならず、あるいは逆反射システムが、マイクロミラーの最適な解放のタイミングを決定するために、何らかの形式の角度検出を使用することができる。
【００６０】
あるいは、インタロゲータおよび逆反射変調器システムの組み合わせのシステムが、性能を最適化することができる。変調器を、固定の時間遅延で動作させることができ、インタロゲータが、到着の角度を決定し、最適な変調が生じるようにパルスのタイミングを変化させることができる。
【００６１】
最大または最小の信号を生み出すための変調器の最適なタイミングは、角度に依存する。上述のシステムが、任意の角度で入射する光について機能すべき場合には、最適なミラーのタイミングが入射光の入射角度に依存して決まるため、検出器が、好ましくは、到着の角度を割り出す手段を取り入れるべきである。あるいは、インタロゲータが、タグへの入射の角度を推定する手段を備え、最大の変調が保証されるようにタグへのパルスのタイミングを変化させてもよい。
【００６２】
次に、図９ａおよび図９ｂを参照すると、選択肢として、変調逆反射デバイスを、一式の短いタイミングパルスをより強度の低い擬似連続のパルスとともに送信できる（あるいは、送信しなくてもよい）インタロゲータとともに使用することができる。変調逆反射デバイスが、低強度の擬似連続のパルスを、タイミングパルスの後の或る制御された時点において変調できる。デバイスは、このパワーをインタロゲータへと逆反射させる。この構成において、インタロゲータのパルスは、擬似ＣＷ周期での変調を含み、逆反射される光は、インタロゲータのパルス状の要素に同期されるが、変調は、インタロゲータの光の擬似ＣＷ領域へと加えられる。
【００６３】
インタロゲータによって受信される正確な変調パターンは、逆反射デバイスへの到着の角度に依存するが、インタロゲータが、特定のパターンを認識できてもよく、そこから、タイミングパルスに対する最適な時間遅延、および所望であれば入射の角度を決定することができる。
【００６４】
擬似連続の波形およびそのタイミングパルスに対するタイミングを測定することによって、インタロゲータは、波形へと加えられた時間シフトの大きさを割り出すことができ、これを１片のデータとして解釈することができる。この後者の手法の利点は、変調装置に角度検出器を取り入れる必要がなく、変調装置を、より小型にでき、より安価に製造できる点にある。
【００６５】
次に、図９ｂを参照すると、インタロゲータが、連続的な光９１を生み出すことができ、逆反射される光を、インタロゲータに関連付けられた同期を持たずに、変調９２、９３することが可能である。
【００６６】
次に、図９ｃを参照すると、全体としてのシステムが、１つ以上の上述のような変調装置を、送信器９５と検出器９７に組み合わせられた受信テレスコープ９６とを備えるインタロゲータレーザシステムとともに備える。
【００６７】
第１の角度測定モードにおいて、インタロゲータが、連続波ビームを送信し、トランスポンダから逆反射される光を測定する。トランスポンダは、おそらくはインタロゲータからのいかなる合図も使用せず、「解放および拘束」モードで動作する。「解放および拘束」の各サイクルにおいて、逆反射検出器は、図３に示した信号に定性的に類似した信号、すなわち一連の比較的はっきりした最大値および最小値を含む信号を検出する。いくつかのパルスにわたって測定を行い、積分を行うことで、検出器は、良好に解像された曲線を蓄積することができる。それらの曲線のピークのタイミングは、中央のピークまたは谷の深さまたは高さ同様、トランスポンダへの入射の角度の余弦の関数であり、データについて適切なフィッティングおよび処理を行うことによって、変調器への入射の角度の余弦を割り出すことが可能である。
【００６８】
角度測定モードの第２の実施形態においては、インタロゲータが、一連のパルスを送信し、トランスポンダから逆反射される光を測定する。トランスポンダは、「解放および拘束」モードで動作し、インタロゲータからのパルスの検出の後に、所定の時間だけ遅延させて解放時間を開始させる。「解放および拘束」の各サイクルにおいて、逆反射検出器は、トランスポンダからのパルスを検出し、各パルスの振幅を記録できる。インタロゲータが、パルスＮとパルスＮ＋１との間の時間遅延が、パルスＮ−１とパルスＮとの間の時間遅延にいくらかの増分Ｄｔを加えた値に等しくなるように、パルス間のタイミングをゆっくりと変化させる場合、結果として、各パルスが、変調器の応答曲線の異なる部分によって変調されることになり、数パルスの期間にわたり、インタロゲータは、変調器の透過プロファイルの全体をストロボ状に採取することになる。このデータによって、インタロゲータは、トランスポンダへの入射の角度を推定することができる。
【００６９】
第１の通信モードにおいて、インタロゲータは、変調装置のインタロゲートのために、パルスの列を使用する。変調装置が、到着する信号のタイミングおよび角度検出器からの角度を検出する。過去のパルス列の時間履歴から、変調装置は、次のパルスの到着時刻を予測することができる。変調装置は、内部のクロックおよびルックアップテーブルを使用し、次のパルスが到着するときに変調器によってもたらされる透過が最大または最小のとなるような時点で、マイクロミラーアレイを解放する。あるいは、最小の透過を、単にマイクロミラーをプルダウン位置に保持することによって得てもよい。受信器が、パルスを検出し、論理１であるか、あるいは論理０であるかを判断する。このモードは、最大の範囲にわたって性能をもたらす。
【００７０】
第２の通信モードにおいては、インタロゲータが、一連のタイミングパルス（あるいは、タイミングの目的に使用できる鋭い縁を有する一連の矩形パルス）を送信できる（送信しなくてもよい）。これを、インタロゲーション用の擬似連続パワーに重ねることができる。変調装置は、タイミングパルスを検出するが、到着角度の割り出しは試みない。変調装置は、２つのやり方のうちの一方で、「解放および拘束」機構を動作させる。すなわち、論理「１」を示すためにパルスを変調し、論理「０」を示すために変調を行わない（あるいは、この反対）。あるいは、２つの所定の時間遅延のうちの一方において、論理「１」または論理「０」を示すべく変調を行う。前者の利点は、低帯域の検出器で、変調が加えられたか否かを示す小さな透過の変化を検出できる点にある。後者の技法の利点は、論理「１」および論理「０」の検出が能動的に示される点にある。
【００７１】
あるいは、真のＣＷインタロゲーション９１において、変調の存在９２または非存在９３を検出することができ、あるいはインタロゲータが、信号積分時間が変調信号の高周波積分に比べて遅い場合に予想される信号強度の小さな変化を検出できるのであれば、タイムキーシフト変調の存在を検出することができる。
【００７２】
インタロゲータは、タイミングパルスおよびアナログの戻りを受信する。到着の角度にかかわらず、逆反射されたタイミングパルスを参照することによって、アナログの戻りのタイミングを認識することができる。
【００７３】
遠隔角度検出モードにおいて、目標は、遠方の変調装置への入射の角度を割り出すことにある。これは、例えば、変調装置からの信号を最大にするためにインタロゲータがどの方向に移動すべきかを判断するために、あるいは変調器の向きを割り出すために、有用であると考えられる。インタロゲータが、擬似ＣＷビームで変調器を照らし、マイクロミラーが解放および拘束されるときの時間分解された逆反射を検出する。検出された信号をテンプレートに照らし合わせることによって、プロセッサは、特定の入射角度に一致するテンプレートを特定できる。
【００７４】
強度安定化モードにおいて、目標は、（例えばシンチレーションに起因して）入力ビームが繰り返し速度に比べて遅い時間軸において変動しているときに、出力ビームの平均を安定させることにある。入射パワーが、特定の程度の減衰をもたらすように同期させられた変調器に入射する。入射パワーに変動が存在する場合、減衰を調節して、全体としてのレーザパワーが一定の値に保たれるように保証するため、マイクロミラーの解放時刻に小さなタイミングの変化を加えることができる。到着するビームが、例えば論理「１」および論理「０」のパルス列であって、シンチレーションによって生じるよりゆっくりとした強度の変動を有する場合、システムを、このゆっくりと変化する変動が安定化によって取り除かれるが、より高速な論理「１」と論理「０」除との間の変化は残されて、後に検出できるように、変調することができる。この手法を、自由空間光レーザ通信システムにおいて信号を検出するために、大きなダイナミックレンジの検出器の代わりに用いることができる。
【００７５】
空間光変調モードにおいては、アレイ上のマイクロミラーのグループが、ビームを横切る空間パターンを生み出すように解放される。これを、例えば信号処理およびビームの操縦など、他の空間光変調器が現在使用されているさまざまな用途に使用することができる。
【００７６】
ビーム操縦モードにおいて、個々の素子のそれぞれの解放時刻が制御される場合、マイクロミラーアレイの各素子の位相を効果的に制御することが可能である。各素子の位相を制御することによって、伝搬方向を制御することができる。したがって、これを、それぞれのマイクロミラーを個々に制御できる場合に、レーザビームを所定の方向に操縦するために使用することができる。
【００７７】
ファブリーペローエタロンの特徴をさらに詳しく検討すると、ＭＯＥＭＳミラー−基板変調器の透過を、反射率がシリコンへと適用されるフレネル反射の式によって決定される２つの反射面を有する単純な構造としてのシステムを検討することによってモデル化できる。ファブリーペローエタロンの透過は、
【数１】
2009512891.tif 000003
によって与えられ、ここでφ＝（４π／λ）Ｌｃｏｓθである。ここで、プレート間の間隔が、Ｌによって与えられ、入射の角度が、θによって与えられ、波長は、λである。各表面の反射率が、Ｒによって与えられ、透過が、Ｔによって与えられる。
【００７８】
変調器およびコーナーキューブ逆反射器の組み合わせを考えると、反射される光が、２つの偏光成分の組み合わせによって決定される点が、注目される。インタロゲータが円偏光または非偏光である場合を考えると、到着の角度にかかわらず、２つの偏光の等しい強度が存在する。入射光が、等しい量の「ｓ」偏光（Ｅベクトルが表面に平行）および「ｐ」偏光（Ｅベクトルが透過および反射ビームの平面内にある）の光を有する。それぞれの偏光が異なる量だけ透過し、部分偏光のビームが、コーナーキューブ逆反射器へと進入する。この偏光が、逆反射器の性質に応じて、さまざまな量で解消される。コーナーキューブ逆反射器が金属でコートされている場合には、偏光特性は保存される。コーナーキューブ逆反射器が誘電体に拠る場合には、特定の角度について偏光が大きく解消される。後者の場合、近似として、ビームの偏光がコーナーキューブによって完全に解消されると仮定される。偏光が解消されたビームが、エタロンを通過して第２の経路を、光源へと戻る。
【００７９】
したがって、変調された逆反射は、
【数２】
2009512891.tif 000004
となると考えられ、ここで、Ｃｒｅｔｒｏは、逆反射の成分であり、ＴｓおよびＴｐは、それぞれｓおよびｐ偏光の透過であり、Ｒｃｃは、コーナーキューブの反射率である。
【００８０】
通過において、透過光の位相Ψは、
【数３】
2009512891.tif 000005
なる関係によって与えられる。ここでφ＝（４π／λ）Ｌｃｏｓθである。
【００８１】
次に、図１０を参照すると、変調器のマイクロミラーの制御の論理図が示されている。ローカルレジスタが初期化１０１され、タイミングパルスが検出１０２されたとき、タイミングカウンタが開始１０３される。パルスが、予想の時間窓に到着１０４した場合、角度または角度範囲（あるいは、角度範囲または「ビン」）の割り出し１０６から１０９が行われる。次いで、明らかにされた入射角度に応答して、マイクロミラーの解放時刻１１１および次のパルスの予想到着時刻１１２が決定される。これは、有利には、ルックアップテーブル１１０を利用することができる。次いで、プロセスが、新たな予想窓について繰り返し１１３される。変調器は、予想窓内のパルスの受信に繰り返し失敗する場合には、終了１０５でき、あるいは他の適切な動作をとることができる。
【００８２】
本明細書の教示を理解しようとする当業者にとって明らかであるとおり、本明細書に提示したあらゆる範囲および装置の意義は、求める効果を失うことなく拡張または変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１ａ】本発明による典型的なマイクロミラー素子および典型的なばね構造の斜視図を示している（基板は示されていない）。
【図１ｂ】本発明によるマイクロミラー素子および典型的なばね構造の側面図を示している。
【図１ｃ】本発明によるマイクロミラー素子のアレイの平面図を示している。
【図２】本発明によるマイクロミラーと基板との間の離間の時間変化の概略のグラフを示している。
【図３ａ】垂直な入射角度について、本発明による光変調器の透過特性の概略のグラフを示している。
【図３ｂ】６０度の入射角度について、本発明による光変調器の透過特性の概略のグラフを示している。
【図４】本発明による変調器の時間に対する動的応答の概略のグラフを示している。
【図５】本発明による印加電圧を透過信号と比較する概略のグラフを示している。
【図６】本発明による第１の変調装置の概略図を示している。
【図７】本発明による第２の変調装置の概略図を示している。
【図８】逆反射器を取り入れてなる本発明による第３の変調装置の概略図を示している。
【図９ａ】逆反射器を取り入れてなる本発明による第４の変調装置の概略図を示している。
【図９ｂ】逆反射器を取り入れてなる本発明による第５の変調装置の概略図を示している。
【図９ｃ】本発明によるシステムの概略図を示している。
【図１０】本発明による変調方法のフロー図を示している。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
2009512891.tif 000007
【図１ｃ】
2009512891.tif 000008
【図２】
2009512891.tif 000009
【図３ａ】
2009512891.tif 000010
【図３ｂ】
2009512891.tif 000011
【図４】
2009512891.tif 000012
【図５】
2009512891.tif 000013
【図６】
2009512891.tif 000014
【図７】
2009512891.tif 000015
【図８】
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【図９ａ】
2009512891.tif 000017
【図９ｂ】
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【図９ｃ】
2009512891.tif 000019
【図１０】
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【国際調査報告】
2009512891.tif 000021
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2009512891.tif 000023
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