(57)【要約】自由空間結合単一モード光ファイバ伝送システムの複数軸能動位置合わせを検出し、制御する方法と装置を提供する。このシステムは、このシステムを介した結合を自動的に最適化する。特定の実施形態では、結合電力の測定が実施され、入力ファイバと出力ファイバとの間において、ビームの４つのほぼ直交する位置合わせ誤差（２つの横方向誤差と２つの角度誤差との組合せ）をゼロにするために、誤差信号を使用して、ビーム・ステアリング要素の４つの軸を介して作動を制御する。４つの位置合わせ誤差は、同期検出手法を使用して検出される。フィードバック制御システムが、４つの誤差をゼロにする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビーム位置合わせを直接測定せずに結合電力の測定の出力を有し、ビーム方向付け制御装置を有する光ビーム位置合わせシステムにおける、位置合わせ要素に関する位置合わせ誤差を検出する方法であって、
前記位置合わせ要素を経て導かれたビームが、測定結合電力に直交変化を生成するように、複数の直交励起信号を前記位置合わせ要素に加えるステップと、
前記結合電力における前記変化を検出するステップと、
前記測定結合電力を前記直交励起信号で補正して、それぞれが位置合わせパラメータに対応する直交誤差信号を生成するステップと
を備える方法。
【請求項２】
前記励起信号が、２つの異なる周波数における正弦波信号と余弦波信号である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
直交励起信号を加える前記ステップが、測定結合電力利得と位相制御システムとプラントの影響をプリエンプティブに相殺するために、励起信号の利得と位相を修正するように前記励起信号をプレワープすることをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
直交励起信号を加える前記ステップが、自然共振より高い周波数の信号を加えることを含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記励起信号が、共振応答の減衰を可能にするのに十分な検出帯域幅をもたらすように十分高い周波数を有する請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記位置合わせパラメータが固定レンズ要素に関連し、さらに、
各前記位置合わせパラメータを、位置合わせ可能構成要素の位置、角度、経路長、分極の少なくとも１つを制御する１組の制御パラメータにマッピングするステップを含む請求項１に記載の方法。
【請求項７】
４つの未知の位置合わせ誤差が検出される請求項１に記載の方法。
【請求項８】
複数の軸における位置合わせ誤差が、
前記測定結合電力の対数を前記複数の直交励起信号で同時に復調して、対応する複数の復調電力信号を獲得するステップと、
リプル成分を除去するために、前記励起信号の相対位相が反復される最短時間期間である最小限の時間期間にわたって復調電力信号を平均化するステップによって検出される請求項１に記載の方法。
【請求項９】
結合空間の４つの自由度について、前記直交励起信号が４つの対応する時間依存直交ディザー信号を備える請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記直交励起信号が制御ディザリングを課し、その結果、前記測定結合電力における瞬間測定応答が前記制御ディザリングにもかかわらず平坦である請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記２つの異なる周波数が２：３の比率を有する請求項２に記載の方法。
【請求項１２】
ビーム位置合わせを直接測定せずに結合電力の測定の出力を有し、ビーム方向付け制御装置を有する光ビーム位置合わせシステムにおける、位置合わせ要素に関する位置合わせ誤差を補正する方法であって、
前記位置合わせ要素を経て向けられたビームが、測定結合電力において直交変化を生成するように、前記位置合わせ要素に複数の直交励起信号を加えるステップと、
前記測定結合電力の前記変化を検出するステップと、
前記測定結合電力を前記直交励起信号で補正して、それぞれが位置合わせパラメータに対応する直交誤差信号を生成するステップと、
前記直交誤差信号をサーボ制御手段に加えるステップと、
前記位置合わせ要素の位置合わせを補正するために、前記サーボ制御手段の出力を前記位置合わせ要素に加えるステップと
を備える方法。
【請求項１３】
前記励起信号が、２つの異なる周波数における正弦波信号と余弦波信号である請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
直交励起信号を加える前記ステップが、測定結合電力の利得と位相に対する制御システムとプラントの影響をプリエンプティブに相殺するために、励起信号の利得と位相を修正するように前記励起信号をプレワープすることを含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
直交励起信号を加える前記ステップが、自然共振より高い周波数の信号を加えることを含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記励起信号が、共振応答の減衰を可能にするのに十分な検出帯域幅をもたらすように十分高い周波数である請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記位置合わせパラメータが固定レンズ要素に関連し、さらに、
各位置合わせパラメータを、位置合わせ可能構成要素の位置、角度、経路長、分極の少なくとも１つを制御する１組の制御パラメータにマッピングすることを含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
４つの未知の位置合わせ誤差が検出される請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
複数の軸における位置合わせ誤差が、
前記複数の直交励起信号で前記測定結合電力の対数を同時に復調して、対応する複数の復調電力信号を獲得するステップと、
リプル成分を除去するために、前記励起信号の相対位相が反復される最短時間期間である最小限の時間期間にわたって、前記復調電力信号を平均化するステップによって検出される請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
結合空間の４つの自由度について、前記直交励起信号が４つの対応する時間依存直交ディザー信号を備える請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記直交励起信号が、制御ディザリングを課し、その結果、前記測定結合電力の瞬間測定応答が前記制御ディザリングにもかかわらず平坦である請求項１２に記載の方法。
【請求項２２】
前記直交励起信号が、時間依存直交周期ディザー信号であり、ディザリングが、５次元結合空間における等電力輪郭に沿っており、前記等電力輪郭の１つが、得られた測定電力が一定であるように、前記ディザー信号の複数の座標を通る軌跡に対応する請求項１２に記載の方法。
【請求項２３】
ビーム位置合わせを直接測定せずに結合電力の測定の出力を有する光ビーム位置合わせシステムにおける位置合わせ誤差検出器であって、
前記位置合わせ要素を経て向けられたビームが、測定結合電力において直交変化を生成するように、複数の直交励起信号を位置合わせ要素に加える手段と、
前記測定結合電力における前記変化を検出する光電力検出器と、
前記直交励起信号で前記測定結合電力を補正して、それぞれが位置合わせパラメータに対応する直交誤差信号を生成する手段と
を備える位置合わせ誤差検出器。
【請求項２４】
ビーム位置合わせを直接測定せずに結合電力の測定の出力を有する光ビーム位置合わせシステムにおける位置合わせ誤差検出器であって、
前記位置合わせ要素を経て向けられたビームが、測定結合電力において直交変化を生成するように、複数の直交励起信号を位置合わせ要素に加える手段と、
前記測定結合電力における前記変化を検出する光電力検出器と、
前記測定結合電力を前記直交励起信号で補正して、それぞれが位置合わせパラメータに対応する直交誤差信号を生成する手段と、
前記直交誤差信号をサーボ制御手段に加える手段と、
前記サーボ制御手段の出力を前記位置合わせ要素に加えて、前記位置合わせ要素の位置合わせを補正する手段とを備える位置合わせ誤差制御装置。
【請求項２５】
前記直交励起信号が２：３の比率を有する周波数の正弦波と余弦波である請求項２４に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単一モード光ファイバ伝送システムにおける光ファイバ導波路の光学的切替えと自由空間結合に関する。本発明は、マイクロ・エレクトロメカニカル・システム（ＭＥＭＳ）に適用されるが、それに限定されるものではない。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ・スイッチ構造における４軸検出方式が知られており、これは、対象とするレーザ・ビームの位置を間接的に推測するために複雑な計量システムを使用する。従来の技術を代表する１つのそのような技法が、コロラド州ボールダーのＡｓｔａｒｔｅ  Ｆｉｂｅｒ  Ｎｅｔｗｏｒｋｓに譲渡された米国特許第６，０９７，８５８号に記載されている。これは、計量システム(metrology system)によって測定されたビーム位置合わせを検出するために、前向き計量レーザ(forward-facing metrology laser)と後向き計量レーザ(reverse-facing metrology laser)（すなわち、入力ファイバと出力ファイバにそれぞれ配置されたレーザ）と、入力ファイバと出力ファイバを取り囲む２軸光伝導センサとを使用する。これらの拡張された計量システムは、システムが最大化を図る電力信号を直接使用しないので、その性能（結合電力を最大化する能力）は、計量システムと実際のビームと間の時間によって変化する不可避な誤位置合わせによって低下する。
【０００３】
Ｎａｎｏ  Ｔｒａｋ自動位置合わせシステムとして知られている光ファイバ結合のメレス・グリオット(Melles Griot)位置合わせシステムは、光学取付け台の２つの制御軸における円錐運動を使用して２つの角度の誤差をゼロにするために、測定出力電力と同期検出手法を使用する。円錐走査は２つの軸における誤差の検出には適切であるが、本発明によって対処される４軸システム、または、さらにより多くの自由度を有するシステムには特に適しているわけではない。主な制限は、第１周波数において第１ミラーを円錐走査し、第２周波数において第２ミラーを円錐走査することにより、位置合わせ誤差（コーニング角を無視する）がゼロであるときでも、２つの周波数の和、差、第１高調波に等しい周波数の信号成分を含む結合電力応答がもたらされることである。したがって、二重円錐の手法は一定出力電力を必要とするシステムでは使用することができない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以上の制限を克服する能動位置合わせの技法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、自由空間結合単一モード光ファイバ伝送システムの複数軸能動位置合わせを検出し、制御する方法と装置が提供される。このシステムは、このシステムを経て結合された電力を自動的に最適化する。具体的な実施態様では、結合電力の測定が実施され、入力ファイバと出力ファイバとの間においてビームの４つのほぼ直交する位置合わせ誤差（２つの横方向誤差と２つの角度誤差との組合せ）をゼロにするために、検出された誤差信号を使用して、ビーム・ステアリング要素の４つの軸を介して作動を制御する。４つの位置合わせ誤差は同期検出手段を使用して検出される。フィードバック制御システムが４つの誤差をゼロにする。４軸検出と制御についてここで提示する理論的な根拠は一般的な場合に十分通用する。したがって、本開示は、４つより多いまたは少ない応用例に対処することを理解されたい。
【０００６】
位置合わせに関する本発明は同期検出に応用される。４軸同期検出の場合、制御システムが、振動コマンド（ディザー）の４つの別個のモードを４つの公称のステアリング・コマンドに関する励起信号として重ね合わせる。これらのディザーはそれ自体が直交していなければならず、それぞれの位置合わせ誤差に比例するディザー周波数において測定した結合電力の４つの対応する時間直交変化を生成するように特に選択される。本明細書で開示する検出される直交モード可変信号の具体的な例は、２つの異なる周波数の正弦波信号と余弦波信号の２つの組である。本発明は、添付の実施形態と共に以下の詳細な記述を参照することによってより良く理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
ＭＥＭＳを使用する自由空間結合光ファイバ・スイッチ
図１を参照すると、本発明が実現されている４ポートＭＥＭＳミラー・アレイ光ファイバ・スイッチ１０の例が示されている。光ファイバ・スイッチ１０の機能は、第１ミラー・アレイ１６と第２ミラー・アレイ１８の上にある２軸ステアリング・ミラーを介して、入力ファイバ（第１ファイバ・アレイ１２における）と出力ファイバ（第２ファイバ・アレイ１４における）との間で望ましい自由空間結合を生成することである。本発明を示す実施形態では、光路は、入力ファイバと出力ファイバとの間の一方向であるが、本発明はそのように限定されるものではない。入力ファイバ・アレイ１２から出る拡大レーザ・ビームは、第１ファイバ・アレイ１２に対面する第１レンズ・アレイ２０を使用してほぼコリメートされる。第１または入力ミラー・アレイ１６のミラーは、第１レンズ・アレイ２０から第２または出力ミラー・アレイ１８の適切なミラーへコリメート・ビーム２３〜２６を向ける。出力ミラー・アレイ１８のミラーは入射ビーム２３’〜２６’を第２または出力レンズ・アレイ３０の対応するレンズに向ける。第２レンズ・アレイ３０の出力レンズは、電力を第２ファイバ・アレイ１４の出力ファイバ２３”〜２６”に結合するのに必要な集束ビームを生成する。
【０００８】
出力ビーム位置合わせの幾何学的配置
図２を参照すると、本発明による出力レンズ／ファイバ・ポートに対する出力ビームの位置合わせを決める図が示されている。この技法は、様々な幾何学的配置において適用することが可能であり、図１は、単にその１つである。軸「ｘ」、「ｙ」、「ｚ」は、「出力」フレームを決める。軸ｚは、特定のレンズ／ファイバ・ポート（レンズ／ファイバ・ポートのアレイを横断して変化する可能性がある）の光学軸として定義され、垂直な軸ｘ、ｙはｚに垂直な面にある。ビームは、ｘ、ｙに関してそれぞれ線形変位ＰxとＰyにおいて出力ｘ−ｙ面と交差する。２つの角度θxとθyは、出力ｘ−ｙ−ｚフレームにおけるビームの向き定義する。θxとθyがゼロに等しい場合、ビームは、ｚ軸に平行である。θxとθyは、それぞれ、ｘ方向とｙ方向におけるビームの回転であり、この場合、小角近似（光学結合の分析に有効）により、回転順序を確定する必要性が排除される。回転の意味を明確にするために、出力フレームにおいて表したビーム方向における単位ベクトルの小角近似を下式によって与える。
【数１】
2005500538.tif 000003
【０００９】
ガウス電力結合
縦方向誤位置合わせがゼロであり、ビームが出力ファイバのモード・フィールド半径に整合していると想定すると、全結合電力Ｐout（出力ファイバにおいて測定されたスカラ量）は、入力電力Ｐinと４つの正規化されたビーム位置合わせ誤差について、ガウス型に近似する。
【数２】
2005500538.tif 000004
上式で、Ｐinは、位置合わせ誤差による損失前の光電力であり、４つの正規化された誤差α、β、ρ、σは、以下によって与えられる。
【００１０】
【数３】
2005500538.tif 000005
上式で、
ｆは、レンズの焦点距離、
ｗ0は、１／ｅ2電力密度におけるビーム半径、
λは、レーザ波長、
ｎgapは、レンズ／ファイバ・ギャップにおける媒体の屈折率
である。
【００１１】
一定電力ディザリング
結合電力が４つの正規化された位置合わせ誤差に関してガウス型であるＭＥＭＳ光ファイバ・スイッチの場合、位置合わせ誤差がゼロであり（ディザー成分を無視する）、かつシステムのモデル・パラメータが適切に調整されているとき、ビーム位置合わせの直角位相（所与の周波数における正弦波信号と余弦波信号）ディザリングは一定結合電力を生成する。図３は、結合電力が示した２つの位置合わせ誤差についてガウス型であるとき、４軸の２つについて、直角位相ディザリングを使用して一定出力電力を生成する概念を示す。位置合わせ誤差（ディザー成分を無視する）が図３に示すようにゼロであるとき、あらゆる所与の周波数における正弦波ディザーと余弦波ディザーは、デバイスの本来の共振より高くても低くても、２つの位置合わせ誤差について円形の軌跡を生成する。これらの２つの位置合わせ誤差の２乗の和は一定なので（正弦波ディザーと余弦波ディザーによる）、結果は、式１によって示したように、個々の誤差が変化する場合でも、一定の減衰結合電力となる。他の２つのディザーも直角位相の形態にある場合、これらのディザーは、第２の一定損失項に寄与し、それにより、４つのディザーによる減衰レベル全体は一定となる。
【００１２】
ガウス結合の同期位置合わせ誤差検出技法
以前に議論したように、角度αとβならびに位置ＰxとＰyについて４つの正規化された座標誤差は、同期検出を使用して検出される。検出プロセスは、スカラの正規化された誤差ｘの簡略化した場合について、以下のように説明される。結合出力電力は、下式によってガウス型で与えられる。
【数４】
2005500538.tif 000006
上式で、時間ｔにおけるｘ（ｔ）は、未知の誤差ｘuと、周波数ｆdにおける既知の正弦波ディザー成分ｘd（ｔ）との和である。
【００１３】
ｘ＝ｘu＋ｘd
電力Ｐoutの対数は、以下によって与えられる。
ｌｏｇ（Ｐout）＝ｌｏｇ（Ｐin）−ｘ2
量ｘ2が、以下によって与えられるので、
ｘ2＝（ｘu＋ｘd）2
＝ｘu2＋２ｘuｘd＋ｘd2
電力の対数は、以下によって与えられる。
ｌｏｇ（Ｐout）＝ｌｏｇ（Ｐin）−（ｘu2＋２ｘuｘd＋ｘd2）
λは、電力の対数の負の数として定義されるので、
λ＝−ｌｏｇ（Ｐout）
λは、以下によって与えられる。
λ＝（ｘu2−ｌｏｇ（Ｐin））＋２ｘuｘd＋ｘd2
式λは、以下のように３つの成分に分割することができる。
１．（ｘu2−ｌｏｇ（Ｐin））が、近ｄｃ項である（Ｐinが定数であり、ｘuの信号内
容がｆdに関して低い周波数にあると想定する）
２．未知の誤差とディザーの変調である２ｘuｘdが、ｆdにおける項を有する
３．ｘd2が、ＤＣ項と２ｆd項を有する
したがって、結合の２乗効果により、未知の位置合わせ誤差ｘuによって変調されたディザー信号ｘdに比例する電力の対数の成分が生成される（λの成分＃２）。未知の誤差ｘuは、λ（ｔ）にディザー信号ｘd（ｔ）を乗算して、ディザー周波数とその高調波における残りの項を除去するために結果的な積をろ過することによる復調プロセスを使用して、λ（ｔ）から導出することができる。乗算ステップにより、下式によって積信号Λ（ｔ）が生成される。
Λ（ｔ）＝λ（ｔ）ｘd（ｔ）
【００１４】
λ（ｔ）と正弦波ディザーｘd（ｔ）との積により、Λ（ｔ）において様々な電力のｘd（ｔ）が得られる。λのＤＣ項は、ディザー周波数ｆdにおける信号内容を有するｘdに比例するΛの項をもたらす。λのｘd2成分の２ｆd項は、ｆdと３ｆdにおけるΛａｔの信号を生成する。２ｘuｘd成分は、ｘuとｘdの大きさに比例するΛのＤＣ項（検出された誤差ｘdet）をもたらし、また、ｘdの振幅の２乗に比例する大きさを有する２ｆdにおけるΛの信号をもたらす。検出された誤差ｘdetは、ＤＣにおけるΛの唯一の項であり、ディザー信号の１つまたは複数の周期Ｔd（Ｔd＝１／ｆd）に等しい時間期間Ｔavgを走査する移動平均フィルタを使用して分離することができる。そのようなフィルタは、入力信号の低周波数帯域を維持するが、平均周波数ｆavg＝１／Ｔavgとその高調波における信号をスケルチする。したがって、このフィルタでΛをろ過することにより、検出誤差ｘdetが導出されるが、ｆdとその高調波において信号内容は、スケルチされる。
ｘdet＝ＭｏｖｅＡｖｇＦｉｌｔ（Λ（ｔ））
【００１５】
図４は、本発明によるガウス型結合電力での同期検出の方法を示す。図４を参照すると、未知のビーム位置合わせ誤差Ａと機械的に注入されたディザーＢ（プレワープ機能Ｉによって変更されている）は、組み合わされて、出力レンズにおける全位置合わせ誤差ｘ（Ｃに示す）を生成する。ファイバ２３”に結合されたビーム２３’の電力のフラクション（図１に示す）は、Ｄに示すように、位置合わせ誤差
【数５】
2005500538.tif 000007
のガウス関数によって与えられ、図示したように特性Ｅを有する光出力電力
【数６】
2005500538.tif 000008
を生成する。出力電力の対数関数Ｆは、量ｘ2を導出する。この量は、未知の誤差とディザーの変調を含み、ＧにディザーＢを乗算することによって復調される。ディザーに適合された適切な周波数応答を有する移動平均フィルタＦで復調信号をろ過することにより、検出誤差信号Ｊが得られる。プレワープ(prewarp)Ｉは、測定結合電力の利得と位相へのプラントと制御システムの影響に対するプリエンプティブ・カウンターバランスとして、ディザーの利得と位相を変調する。ディザリングの周波数を増大させることにより、所望の一定電力特性から逸脱せずに、より高い検出帯域幅を見込む。ディザーの周波数が、ＭＥＭＳデバイスの共振周波数より十分に高い場合、検出帯域幅も、共振応答の減衰を可能にするように十分高いことが可能である。
【００１６】
検出技法の４軸への拡張
本発明によれば、先行セクションにおいて記述した同期検出技法は、ＭＥＭＳ光ファイバ・スイッチ（図２に示す）に関連する４つの位置合わせにおいて誤差を同時に検出するように拡張することができる。この場合、４つの時間直交モード・ディザー信号が、４つのビーム位置合わせ座標と共に使用される。この手法は、位置合わせ誤差の分離検出を保証するために、４つのビーム位置合わせ座標を４つの直交ディザーで１対１方式で励起するものである。
【００１７】
例として、本発明は、４つのディザーについて２つの別々の周波数の正弦波信号と余弦波信号を使用して実施することが可能である。平均周波数ｆavgならびに２つのディザー周波数ｆ1とｆ2は、それぞれ、１：２：３の比率を有する。
ｆ1＝２ｆavg
ｆ2＝３ｆavg
【００１８】
Ｔavg＝１／ｆavgによって与えられる１つの平均周期の時間期間では、２ｘディザーは２回反復され、３ｘディザーは３回反復され、この時間において、４つのディザーは、相対位相の１つの全周期を完了する。相対移送のこの全周期の時間期間Ｔavgは、時間直交基底の観念の確定時間期間である。１つの平均期間では、４つのディザー信号の積の平均値は、ゼロである。したがって、相対移送の全周期にわたる平均によって、復調位相における交差ディザー周波数干渉が防止される。各ディザー周波数における正弦波信号と余弦波信号は、本質的に、それぞれの期間の単一周期にわたって互いに時間直交しており、したがって、これらの信号は、周期の２ｘまたは３ｘに等しいＴavgにわたって本質的に時間直交している。
【００１９】
制御システム
図５は、図１の光ファイバ・スイッチの要素との相互作用を示す本発明による制御システム１００の概略図である。制御システム１００は、位置合わせ誤差を検出し、かつサーボを制御する。制御システム１００は、作動電圧をミラー・アレイ１６と１８の１対のＭＥＭＳミラーに供給する。ＭＥＭＳミラーは、作動電圧の関数として４つのミラー角度を生成する。光学設計に特有の反射運動学１０９は、レンズ・アレイ３０の出力における４つのビーム位置合わせ誤差への４つのミラー角度のマッピングを確定する（図２に示す）。式１において定義されるように、出力ファイバ・アレイ１４の出力ファイバへの電力の結合は、４つのビーム位置合わせ誤差についてガウス型である。図５は、図１に示した変換を概略的に示す。ビーム２３は、ミラー１６、１８によって、出力レンズ・アレイ３０のレンズに入射するビーム２３’をもたらすように向けられ、入射ビーム２３’は、レンズを経て出力ファイバ・アレイ１４の関連するファイバ２３”に結合される。光出力における電力タップ１０８がフィードバック信号を供給し、このフィードバック信号は光検出器１１０によって電気信号に変換される。制御システム１００内では、フィードバック電力信号が対数関数１１２によって対数信号に変換され、この対数信号が入力を乗算器１１４に供給する。ディザー基準信号１２０が乗算器１１４とプレワープ・ステージ１２１に供給される。プレワープ・ステージは、測定結合電力の利得と位相へのプラントと制御システムの影響に対するプリエンプティブ・カウンターバランスとして、ディザーの利得と位相を変調する。
【００２０】
再び図５を参照すると、乗算器１１４の出力は、ディザー基準１２０と測定電力１１２の対数との積であり、フィルタ１２４に供給される。フィルタ１２４は、以前に説明したように、誤差信号（近ＤＣ）の成分を導出し、一方、ディザリング基準のアーティファクトをスケルチするための事前に選択された周期長の移動平均フィルタとすることが可能である。誤差信号ｅは、１組のフィードバック制御信号を生成するサーボ制御ロー要素１０２に供給される。
【００２１】
加算器１０４は、サーボ要素１０２からのフィードバック制御信号とプレワープ・ステージ１２１からのプレワープ・ディザーとを組み合わせる。この２つは、両方とも、出力空間成分α、β、ρ、σにおけるベクトルである。逆運動学と作動要素１０７は、出力空間コマンドを電圧フィードバック・コマンドに変換する。公称の接続バイアス電圧１２６が、アクチュエータ電圧コマンドを生成するように、加算器１０５においてフィードバック電圧コマンドに追加される。
【００２２】
新規な特徴
この４軸検出手法のいくつかの態様は新規である。第１に、本発明は、システムにおいて４つの制御可能な誤差を検出するために、並列計量システム（関連する許容度とドリフト誤差を有する）ではなく、測定結合電力信号を直接使用し、それにより、制御装置によって使用されるバイアスのない誤差推定、したがって最大出力を保証する。第２に、本発明は、４ビーム位置合わせ誤差を検出する手段として、同期検出をまず使用する。第３に、誤差検出における結合を最小限に抑えるために（個々の誤差が、他の誤差について検出された値に影響を与えないように）、ディザー・モード（ステアリング・コマンドの静的組合せ）が選択される。分離検出により、より迅速なサーボ応答が可能になる。第４に、変調ディザー信号と復調ディザー信号が、システムにおいて利得と位相に適応するように、プレワープ・ステージにおいて増幅され、時間位相がそろえられる。これにより、誤差検出における追加の周波数依存結合が防止される。第５に、変調／復調技法が、検出における結合の他のソースである交差周波数干渉を防止するように、２つのディザー周波数と第３の平均周波数を選択する方式を規定する。第６に、ディザーの相対振幅が、位置合わせ誤差がゼロのとき、一定の出力電力をもたらすように、縮尺調整される。
【００２３】
本発明は、いくつかの利点を有する。ビーム位置合わせ誤差がゼロの場合、システムを介して結合された電力の応答は平坦であり、ディザリングが、出力信号のＤＣ電力レベルを下げる可能性がある場合でも、加えられたディザリング信号の周波数における電力の変化はない。さらに、所与の周波数における２つのディザーは、互いに直角位相の２つの直交軸にあるので、ディザー周波数の高調波は、出力信号の電力では明らかではない。これは、図３の説明から明らかである。
【００２４】
代替実施
２つの周波数の正弦波と余弦波以外を選択することが、ディザー・モード変数では可能である。４つの周波数の正弦波を使用することができるが、出力電力は一定とすることができず、平均方式を使用して交差周波数干渉を最小限に抑えることは、より困難になる。スペクトル拡散ディザーも可能であるが、同じ問題を呈する。
【００２５】
先に記述した空間分離ディザー・モードではなく、空間結合モードを使用することができる。この場合、復調誤差信号を分離する余分なステップが必要である。
【００２６】
平均周波数とディザー周波数の他の選択肢が可能である。たとえば、平均周波数とディザー周波数の１：１：２の組合せは、時間直交の１組を提供するが、１ｘディザーの残りの高調波により、２ｘ周波数における検出は損なわれることになる。他の倍数も可能であるが、各場合は、システムの特性に関して評価される必要がある。
【００２７】
特定の実施形態に関して、本発明について述べてきた。当業者には他の実施形態が明らかであろう。たとえば、このビーム位置合わせシステムは、ビーム追跡などに適用することが可能である。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲によって示される場合を除いて、限定されないものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明を実装した４ポートＭＥＭＳミラー・アレイ光ファイバ・スイッチのブロック図である。
【図２】本発明において使用される出力レンズにおけるビーム位置合わせ誤差を示す図である。
【図３】一定電力ディザリングを示す３次元図である。
【図４】本発明による同期検出方法におけるステップを示すフロー・チャートである。
【図５】本発明による制御システムの概略図である。
【図１】
2005500538.tif 000009
【図２】
2005500538.tif 000010
【図３】
2005500538.tif 000011
【図４】
2005500538.tif 000012
【図５】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2005500538.tif 000033
2005500538.tif 000034
【手続補正書】
【提出日】平成15年3月18日(2003.3.18)
【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】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
ビーム位置合わせを直接測定せずにビームの結合電力の測定の出力を有し、ビーム方向付け制御装置を有する光ビーム位置合わせシステムにおける、ビームの位置合わせ要素に関する位置合わせ誤差を検出する方法であって、
前記位置合わせ要素を経て導かれたビームが、ビームの測定結合電力に直交変化を生成するように位置合わせ要素を動かすために、複数の直交励起信号を前記位置合わせ要素に加えるステップと、
前記結合電力における前記変化を検出するステップと、
前記測定結合電力を前記直交励起信号で補正して、それぞれがビーム方向付け制御の位置合わせパラメータに対応する直交誤差信号を生成するステップと
を備える方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１２】
ビーム位置合わせを直接測定せずにビームの結合電力の測定の出力を有し、ビーム方向付け制御装置を有する光ビーム位置合わせシステムにおける、ビームの位置合わせ要素に関する位置合わせ誤差を補正する方法であって、
前記位置合わせ要素を経て向けられたビームが、ビームの測定結合電力において直交変化を生成するように位置合わせ要素を動かすために、前記位置合わせ要素に複数の直交励起信号を加えるステップと、
前記測定結合電力の前記変化を検出するステップと、
前記測定結合電力を前記直交励起信号で補正して、それぞれがビーム方向付け制御の位置合わせパラメータに対応する直交誤差信号を生成するステップと、
前記直交誤差信号をサーボ制御手段に加えるステップと、
前記位置合わせ要素の位置合わせを補正するために、前記サーボ制御手段の出力を前記位置合わせ要素に加えるステップと
を備える方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２３】
ビーム位置合わせを直接測定せずにビームの結合電力の測定の出力を有する光ビーム位置合わせシステムにおける、ビームの位置合わせ誤差検出器であって、
前記位置合わせ要素を経て向けられたビームが、ビームの測定結合電力において直交変化を生成するように位置合わせ要素を動かすために、複数の直交励起信号を位置合わせ要素に加える手段と、
前記測定結合電力における前記変化を検出する光電力検出器と、
前記直交励起信号で前記測定結合電力を補正して、それぞれがビーム方向付け制御の位置合わせパラメータに対応する直交誤差信号を生成する手段と
を備える位置合わせ誤差検出器。
【手続補正４】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２４】
ビーム位置合わせを直接測定せずにビームの結合電力の測定の出力を有する光ビーム位置合わせシステムにおける、ビームの位置合わせ誤差検出器であって、
前記位置合わせ要素を経て向けられたビームが、ビームの測定結合電力において直交変化を生成するように位置合わせ要素を動かすために、複数の直交励起信号を位置合わせ要素に加える手段と、
前記測定結合電力における前記変化を検出する光電力検出器と、
前記測定結合電力を前記直交励起信号で補正して、それぞれがビーム方向付け制御の位置合わせパラメータに対応する直交誤差信号を生成する手段と、
前記直交誤差信号をサーボ制御手段に加える手段と、
前記サーボ制御手段の出力を前記位置合わせ要素に加えて、前記位置合わせ要素の位置合わせを補正する手段とを備える位置合わせ誤差制御装置。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
ガウス結合の同期位置合わせ誤差検出技法
以前に議論したように、角度αとβならびに位置ρとσについて４つの正規化された座標誤差は、同期検出を使用して検出される。検出プロセスは、スカラの正規化された誤差ｘの簡略化した場合について、以下のように説明される。結合出力電力は、下式によってガウス型で与えられる。
【数４】
2005500538.tif 000035
上式で、時間ｔにおけるｘ（ｔ）は、未知の誤差ｘuと、周波数ｆdにおける既知の正弦波ディザー成分ｘd（ｔ）との和である。


【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
λ（ｔ）と正弦波ディザーｘd（ｔ）との積により、Λ（ｔ）において様々な電力のｘd（ｔ）が得られる。λのＤＣ項は、ディザー周波数ｆdにおける信号内容を有するｘdに比例するΛの項をもたらす。λのｘd2成分の２ｆd項は、ｆdと３ｆdにおけるΛの信号を生成する。２ｘuｘd成分は、ｘuとｘdの大きさに比例するΛのＤＣ項（検出された誤差ｘdet）をもたらし、また、ｘdの振幅の２乗に比例する大きさを有する２ｆdにおけるΛの信号をもたらす。検出された誤差ｘdetは、ＤＣにおけるΛの唯一の項であり、ディザー信号の１つまたは複数の周期Ｔd（Ｔd＝１／ｆd）に等しい時間期間Ｔavgを走査する移動平均フィルタを使用して分離することができる。そのようなフィルタは、入力信号の低周波数帯域を維持するが、平均周波数ｆavg＝１／Ｔavgとその高調波における信号をスケルチする。したがって、このフィルタでΛをろ過することにより、検出誤差ｘdetが導出されるが、ｆdとその高調波において信号内容は、スケルチされる。
ｘdet＝ＭｏｖｅＡｖｇＦｉｌｔ（Λ（ｔ））




【国際調査報告】
2005500538.tif 000036