(57)【要約】  電磁信号源（１３）と電磁導波路（１５）との間で電磁信号を結合し、また、使用時には、電磁信号源と電磁導波路とが相対的に移動している（１２）方法は、この信号源を、この導波路に打ち込む各場所において、電磁導波路（１５）の性質を変更して、電磁信号を、この電磁導波路に結合できる（１７）ようにすること、電磁信号を、この電磁導波路に打ち込むこと、その場所にて、この変更を元に戻して、信号が打ち込まれさえすれば、この電磁導波路に沿って信号が伝播する（１８）ようにすること、および、この電磁導波路に沿った各打込み場所に対して、このプロセスを繰り返すことを含む。
2007529772.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁信号源と電磁導波路との間で電磁信号を結合する方法であって、使用時には、前記電磁信号源と前記電磁導波路とが相対的に移動している方法において、
前記電磁信号を前記導波路に打ち込む各場所で、前記電磁導波路の性質を変更し、前記電磁信号を前記電磁導波路に結合できるようにする工程と、
前記電磁信号を前記電磁導波路に打ち込む工程と、
前記場所にて、前記変更を元に戻し、打ち込まれた信号が前記電磁導波路に沿って伝播するようにする工程と、
前記電磁導波路に沿った各打込み場所に対しこのプロセスを繰り返す工程と
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記導波路が静止状態にあり、前記信号源が移動することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記導波路に沿って伝播する電磁エネルギーが、前記導波路の端を経て出て行くことを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
連続する導波路リング中に少なくとも１つのギャップを設け、データを取り出し可能とすることを特徴とする請求項１から３の１つに記載の方法。
【請求項５】
前記少なくとも１つのギャップを乗り越える前記信号源からのデータ喪失を、他の全ての場所で伝送速度を高め、かつ前記ギャップ中での伝送を防止することで回避することを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記信号源の数が前記ギャップの数に等しく、どんなときでも１つの信号だけがギャップを超えるように構成されており、かつこの導波路から取り出されたデータを組み合わせて、連続するデータ流を供給することを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項７】
前記電磁信号源が光信号源であることを特徴とする請求項１から６の１つに記載の方法。
【請求項８】
導波路と、電磁信号源に結合されたコントローラとを含む電磁信号結合器であって、
使用時には、前記電磁信号源と前記電磁導波路とが相対的に移動しており、かつ前記コントローラが、前記電磁信号を前記電磁導波路に打ち込んでいる場所で、前記電磁導波路を選択的に変更させ、前記電磁信号を前記電磁導波路中に結合できるようにし、前記信号源が前記場所から遠ざかると、前記変更を元に戻し、更に、前記電磁導波路に沿った各打込み場所に対し、そのプロセスを繰り返すことを特徴とする電磁信号結合器。
【請求項９】
前記導波路が静止状態にあり、かつ前記信号源が移動することを特徴とする請求項８記載の電磁信号結合器。
【請求項１０】
前記導波路に沿って伝播する電磁エネルギーが、前記導波路の端から出て行くことを特徴とする請求項８又は９記載の電磁信号結合器。
【請求項１１】
少なくとも１つのギャップを連続する導波路リング中に設け、データを前記導波路から取り出し可能としたことを特徴とする請求項８から１０の１つに記載の電磁信号結合器。
【請求項１２】
前記信号源の数が前記ギャップの数に等しく、どんなときでも１つの信号だけがギャップを超えるように構成されており、かつ前記導波路から取り出されたデータを組み合わせて、連続するデータ流を供給することを特徴とする請求項１１記載の電磁信号結合器。
【請求項１３】
前記電磁信号が光信号であることを特徴とする請求項８から１２の１つに記載の電磁信号結合器。
【請求項１４】
前記信号が、前記導波路の端に結合された光ファイバを経て出力されることを特徴とする請求項１３記載の電磁信号結合器。
【請求項１５】
前記導波路が、可変格子又は表面被覆を設けた表面を含むことを特徴とする請求項８から１４の１つに記載の電磁信号結合器。
【請求項１６】
前記可変格子又は表面被覆が、磁気光学材料、電気光学材料、音響光学材料又は光電材料の１つからなることを特徴とする請求項１５記載の電磁信号結合器。
【請求項１７】
前記導波路が、蛍光性のコア又はクラッドを持つ光ファイバからなることを特徴とする請求項８から１４の１つに記載の電磁信号結合器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁信号源と、特に光信号用の電磁導波路との間で電磁信号を結合する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバを用いて、情報を搬送することが、益々一般的になっている。システムの内相対的な動きのある２つの部分間で、情報を転送すべき用途が幾つかある。代表的には、この情報を回転要素、例えば回転車輪上のセンサで生成し、該情報を、その処理システムやディスプレイ／記憶装置という固定部分に転送する必要があるような場合である。多くの場合、このような転送は、一本の光ファイバを用い、かつ該光ファイバに可撓性を持たせて、所要の接続を維持しながら、これらの要素を回転可能にすることで達成できる。しかし、明らかに、回転車輪が何回も回転できるような車輪等のシステムでも、光ファイバの撓み性が限られているために、光ファイバが切れないうちに、回転車輪の回転数が制限されることになる。
【０００３】
この要求の解決策は、光学式回転ジョイント（Optical rotating joint（ＯＲＪ））を使用することである。該ジョイントは、回転界面（interface）を横切って情報を転送するのに使用可能な周知の装置である。しかし、この種の装置は、該装置を、システムの回転軸線に取り付けねばならないことと、この回転軸線を使用できない用途が多数あるという点で、厳しい制限がある。例えば回転車輪上のセンサでは、回転車輪の車軸は、この回転軸線を占める頑丈な本体であるかもしれない。また、この軸線上でスペースを使用可能となし得るが、これは、これらのシステムの機械的強度を弱めることがあり、従って、望ましくないかもしれない。流動体等の他の供給物を、回転界面を横切って搬送せねばならないような用途もある。これら用途は、この回転軸線上に回転ジョイントを取り付けることで、最も効果的に達成される。従って、この回転軸線上では、スペースの非常に激しい奪い合いがあり、また、この結果多くの用途で、ＯＲＪの使用が不都合を来すか、或いは不可能となることもある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の第１の面により、電磁信号源と電磁導波路との間で電磁信号を結合し、かつ使用時には、電磁信号源と電磁導波路とが相対的に移動する方法は、
信号をこの導波路に打ち込む各場所で、電磁導波路の性質を変更し、電磁信号を、この電磁導波路に結合できるようにすること、
電磁信号を、この電磁導波路に打ち込むこと、
前記場所にて、前記変更を元に戻し、打ち込まれた信号が前記電磁導波路に沿って伝播するようにすること、および
この電磁導波路に沿った各打込み場所に対し、このプロセスを繰り返すことを含む。
【０００５】
本発明の第２の面により、電磁信号結合器は、導波路と電磁信号源に結合されたコントローラとを含み、かつ使用時には、電磁信号源と電磁導波路とが相対的に移動しており、更にこのコントローラが、電磁信号を電磁導波路に打ち込んでいる場所で、電磁導波路を選択的に変更させ、電磁信号を電磁導波路に結合可能とし、信号源がその場所から遠ざかると、その変更を元に戻し、更に電磁導波路に沿った各打込み場所に対しそのプロセスを繰り返す。
【０００６】
好ましくは、この導波路は静止状態にあり、信号源が移動する。
【０００７】
導波路に沿って伝播する電磁エネルギーを、導波路の端を経て導出するようにするとよい。
【０００８】
ほぼ連続する導波路リング中に少なくとも１つのギャップを設けて、データを取り出せるようにしてもよい。
【０００９】
少なくとも１つのギャップを乗り越える信号源からのデータ喪失を、他の全ての場所での伝送速度を高め、かつ、このギャップ中の伝送を防止することで避けるとよい。
【００１０】
信号の数がギャップの数に等しく、どんなときでも１つの信号だけがギャップを超えるように構成し、かつこの導波路から取り出したデータを組み合わせて、連続する１つのデータ流を供給するようにするとよい。
【００１１】
好ましくは、この電磁信号は光信号である。
【００１２】
この信号を、導波路の端に結合した光ファイバを通じて出力すると好ましい。
【００１３】
この導波路が、可変格子又は表面被覆を備えた表面を含むとよい。
【００１４】
この可変格子又は表面被覆は、好適には磁気光学材料、電気光学材料、音響光学材料又は光電材料からなる。
【００１５】
この導波路が、蛍光性のコア又はクラッドを持つ光ファイバからなると好ましい。
【００１６】
次に、本発明による、電磁信号源と電磁導波路との間で電磁信号を結合する方法の一例と、電磁信号結合器の一例を説明し、これらの例を、以下の添付図面を参照して、従来技術と対照させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、ＯＲＪの使用が可能な光信号結合器の第１の例を示す。車輪１は、回転用の軸受３に搭載された車軸２上で回転する。車軸２上のセンサ４は、光ファイバ５を介してＯＲＪ６に結合している。情報は、この車輪の回転部分上のセンサ３から、固定部分８に取り付けた光ファイバ７に転送される。図１では、この軸受配置により、ＯＲＪを、車軸２の軸線上に取り付けるが、車軸の外側に取り付けてもよい。
【００１８】
図２は、ＯＲＪの使用が不可能な一例を示す。図２の強固な外部軸受９の配置は、車輪１の外部で実現するには遠すぎる所にＯＲＪを取り付けざるを得ないものである。
【００１９】
図２に示す如く、この回転軸線が利用不能なとき、製造者は、電気式スリップリングを経て伝送可能な電気信号の使用に立ち戻らざるを得ない。電気信号の使用に伴い、製造者は広範囲の問題に直面する。例えば１つ又は複数の電気信号からの電気干渉や、電気信号への電気干渉の排除に多くの設計作業が必要となり、更に充分な遮蔽が必要となることもあり、それは、このシステムの費用、重量又は寸法を増すことになる。これら電気信号は光信号よりも低い帯域幅であることが多く、従って唯一のＯＲＪを、幾つかの電気式スリップリングに代えねばならない。この際も、システムの複雑さと費用が増える。
【００２０】
回転システムの他に、データを、走行中の列車から軌道側の受信システムに転送する場合のように、動きが直線な用途もある。ＯＲＪは、この種の要件を処理できず、従って光学的にスリップリングと等価なものが必要となる。
【００２１】
本発明は、これら問題を処理し、かつ一実施形態では、本発明は、電気式スリップリングと光学的に等価なものを提供する。これは、ＯＲＪが存在し得ない状況で、回転システム上で展開可能な利点を持ち、しかも、非回転システムにも、更に広範な用途を持つ。
【００２２】
本発明の基本的な手法を、図３に示す。この例は、矢印１２で示すように相対的な動きのある２つの部分（部分Ａ１０と部分Ｂ１１）含む。２つの部分（１０、１１）間で情報を伝送する光ファイバ１３を、部分Ａに付けている。部分Ｂ１１中に形成した導波路１５上に、集束光ビーム１４を投射する。この光は、レンズ装置１６で、導波路１５上に集束させる。この光は、導波路１５中に結合され（１７）、導波路１５から出て（１８）出力光ファイバに入る迄、導波路に沿って移動する。従って２つの部分（１０、１１）が互いに相対的に移動すると、光１４を導波路１５に打ち込む地点が、導波路１５に沿って移動するが、この光は、引き続き、導波路１５から出て、出力ファイバを通る。
【００２３】
この手法を用いれば、図４に示す如く、回転用の円形スリップリングを形成できる。この例で固定部分２０は、回転軸線２１を中心とするリングであり、該リング上に略完全なリングを形成する導波路２２を設けている。光は導波路２２に沿って伝播する（２３）。導波路「リング」は途切れていて、光を導波路２２から出て出力光ファイバ２４に導く。この配置構成は、回転部分２６中への光の打込み地点２５がこのリングの切れ目２７を越える際、伝播の途切れをもたらす。この地点での許容できない通信喪失を防止すべく適用できる様々な手法がある。例えば１つの選択肢は、僅かに速い速度で情報を送ることであり、従ってこの切れ目の横断時に送られた情報を保存し、この回転期間の残り時間の間に送る。別法として、「Forward Error Correction（先行誤り訂正手法）」（ＦＥＣ）を使用し、この切れ目での喪失にも係らず、このデータを復元可能としてもよい。
【００２４】
図５は、この通信喪失に対処するための導波路２２の構造変更を示す。即ち導波路リングを２つの部分（２２ａ、２２ｂ）に分け、かつ２つの打込み地点（２５ａ、２５ｂ）を用いて角変位２８を適宜に調整することで、何時でも１つの打込み地点だけが切れ目（２７ａ、２７ｂ）を確実に越えるように、これら打込み地点を配置する。この場合、２つの出力（２４ａ、２４ｂ）があり、かつ適切な情報流を選択して、その情報流が確実に連続するようにできるシステムに、これらの出力を送る必要がある。
【００２５】
本発明の基本的な問題は、導波路に光を打ち込み可能なので、逆に光が該導波路から漏出し得ることである。これは、導波路に許容できない損失を発生させる。打込み地点と、出力ファイバとの間の総損失はまた、その打込み位置によって異なり、この結果更に面倒なことが起る。原理上は、光の打込みが効率的であればある程、導波路での損失は大きくなる。このような制約を克服することは、本発明を実施する上で重要な要件である。
【００２６】
「打込み効率」対「導波路損失」の最適化に使用可能な１つの公知の手法は、「Fully Embedded Board-Level Guided-Wave Optoelectronic Interconnects（完全組込み形ボードレベル導波光電子インターコネクト）」（ＩＥＥＥ会報、２０００年６月、第８８巻、第６号）の中で、Chen氏らにより述べられている。ここには、プレーナ形材料に組み込まれた導波路への打込みに使用できる手法が幾つか述べられている。この結合構造物は、導波路中に光を効率的に結合する（３５％）ことが可能であるが、既に導波路中を移動していて、かつこの結合器を通り越している光は、１％よりも小さい非常に低い効率で切り離される特性を持つ。従って、導波路に沿ったどの地点でも光を結合できるように、導波路の長さに沿って一列に連なる上記結合器を配列することができる。この結合は、これらの導波路の表面に形成された格子を用いて達成される。
【００２７】
本発明の結合性能／導波路損失性能を向上すべく、幾つかの手法を利用できる。これら手法は、打込み地点で導波路の性質を変更することを基本とする。従って打込み地点で、この結合器に良好な結合性能を持たせ得る。これは、この地点で、損失が大きくなるという問題を含み得る。結合地点でのみこの損失が更に高くなる故、この問題は、より受容可能なものとなろう。
【００２８】
この実施例を図６に示す。結合器は、打込み地点の周りで結合性能を局部的に変更可能な材料からなる。この結合は、一例では導波路１５中に磁気光学材料で作られた格子により形成される。該格子は、磁気光学材料の交互極性化層（alternately poled layer）からなる。従って、磁界２９がないときこれら交互極性層が同一の屈折率を持つために格子は非常に無力であるが、磁界を印加すると、これら交互極性層は発散屈折率を持ち、しかも、はるかに強力な格子を局部的に形成する。またこの種格子を配置すれば、高い結合効率を得ることが可能となる。部分Ａにコイル３０を配置して磁界を印加することで、打込み地点にて局部的に導波路の性質を変更できる。
【００２９】
同様に、他の物理現象を加え、局部的に導波路に影響を及ぼすこともできる。例えば磁界に代えて静電界を加え、電気光学効果で、この結合を局部的に変更させる電気光学効果を使用するか、部分Ａ（１０）中に光を伝える材料と、導波路１５との間のギャップを、その材料自体の存在により、その結合に局部的な影響が生ずるくらい充分短くなし得るエバネセント結合を用いる。別法として、一般にその情報搬送波長とは波長が異なる導波路への局部照射等の光相互作用を用い、その導波路の性質を変更するか、或いは局部的に注入された音響を用いて導波路の性質を変更する音響光学手段を利用してもよい。
【００３０】
格子構造物を必要としない結合をもたらす代替機構は、常態なら光を反射する導波路の表面上への被覆の使用、従ってこの光を導波路内に留めておくが、その打込み場所にて光を通過させるように局部的に変更され得る被覆の使用や、蛍光の使用を含む。蛍光を用いて結合する一例を図７に示す。光を、或る波長にて光ファイバ３１に注入し、光ファイバ３１のコア３２又はクラッド３３に添加した蛍光材料で吸収させる。かかる光の吸収は蛍光材料の活性を高め、更に高いエネルギー状態にし、次にその高いエネルギー状態が、異なる波長での放射光を減衰させる。この放射光は等方性であり、それ故、この光ファイバのコレクション角内のどんな光も、図７に示す如く、光ファイバ内を伝播し（３４）、かつ他の全ての光は単に、この光ファイバを通過する（３５）に過ぎない。
【００３１】
本発明は、或る部分の導波路と、別の部分の導波路との間で電磁信号、特に光信号を伝送可能とし、かつこれら両部分が相対的に動くスリップリングを提供する。電磁信号の効率的な転送は、これら導波路間の電磁信号の結合を最大にすると共に、該導波路の残りの部分に沿って、電磁信号の伝送時、電磁信号のどんな不要の切離しも最小限に抑える結合手法を用いて得られる。この種スリップリングの使用で、広範囲のシステムで移動中の部分間、例えば走行中の車両と、道路又は軌道側の受信機との間でやり取りが可能となる。
【００３２】
本発明の重要な用途は、回転軸線が利用不能なため、標準回転ジョイントを使用できない機械で、回転界面を横切ってデータを転送することである。この具体的な例として、Ｘ線管と放射線検出器が人体の周りを回る、医療用のコンピュータ体軸断層（ＣＡＴ）スキャナ又はコンピュータ断層（ＣＴ）スキャナがある。また、これらの回転式放射線検出器で受け取られたデータをコンピュータに転送し、Ｘ線の進路中に何があったかを計算することで、これを表示して、医療専門家に判断可能とせねばならない。光学式回転ジョイントの使用は実用的ではない。何故なら、スキャンするために人体を位置づける場所である回転軸線に、光学式回転ジョイントを取り付けねばならなくなるからである。従来の方法では、データ転送は、電気式スリップリング又は「無線周波数（ＲＦ）」法で行われてきたが、これに関わる問題は、これらの手法が、データ転送容量を不足させており、大型の機械装置を必要とし、更に電磁妨害の問題を起こし得ることである。
【００３３】
本発明の以上の例は、光信号の点から述べた。しかし、幾つかの実施例は、電磁スペクトルの他の領域、特にマイクロ波にも適用可能なことに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】回転部分から固定部分にデータを転送するために、従来の光学式回転ジョイントを使用することができる一例を示す。
【図２】回転部分から固定部分にデータを転送するために、従来の光学式回転ジョイントを使用することができない一例を示す。
【図３】本発明により、移動中の部分から固定部分にデータを転送する本発明の第１の例を示す。
【図４】本発明により、移動中の部分から固定部分にデータを転送する、回転運動に適した本発明の第２の例を示す。
【図５】図４の例の代替構成を示す。
【図６】本発明により、信号を導波路に結合する一方法を、更に詳しく示す。
【図７】図３、図４、又は図５の例に用いられる代替方法を示す。
【符号の説明】
【００３５】
１  車輪、２  車軸、３、９  軸受、４  センサ、５、３１  光ファイバ、６  ＯＲＪ、８、２０  固定部分、１０、１１  移動部分、１３  電磁信号源、１４  光ビーム、１５、２２  導波路、１６  レンズ装置、２１  回転軸線、２６  回転部分、２７  切れ目、２９  磁界、３０  コイル、３２  コア、３３  クラッド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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