(57)【要約】本明細書では、電子ビームステアリングに基づく絞り内での高速スキャン光位相アレイ（ＯＰＡ）の使用について記載される。【選択図】図１
2013545124.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のゾーン充填光位相アレイ（ＯＰＡ）と、
複数のバイナリステージを備える偏光格子積層体であって、前記各バイナリステージが、少なくとも１つの液晶波長板（ＬＣＷＰ）と、少なくとも１つの偏光格子とを備え、前記各ステージが選択可能な偏角を与え、前記ステージが、最も大きい偏角の大きさを伴うステージが絞り出力に最も近くなるように偏角の大きさを増大させる順序で配置される、偏光格子積層体と、
を備える、出力を有する光学絞り。
【請求項２】
請求項１記載の光学絞りにおいて、
前記偏光格子積層体は、該積層体に与えられる光信号の二次元角度制御を行う、光学絞り。
【請求項３】
請求項２記載の光学絞りにおいて、
前記偏光格子積層体中の前記複数のバイナリステージの少なくとも一部は、入射ビームを第１の平面内にほぼある角度にわたって方向付ける第１の組を備え、前記偏光格子積層体中の前記複数のバイナリステージの少なくとも一部は、前記第１の平面に対して角度を成して位置する第２の異なる平面内にある角度にわたって入射ビームを方向付ける第２の組を備え、前記第１の組のステージの少なくとも一部が前記第２の組のステージの少なくとも一部と交互に配置される、光学絞り。
【請求項４】
請求項１記載の光学絞りにおいて、
前記偏光格子積層体中の前記複数のバイナリステージの少なくとも一部は、入射ビームを第１の平面内にほぼある角度にわたって方向付け、
前記偏光格子積層体中の前記複数のバイナリステージの少なくとも一部は、前記第１の平面に対して角度を成して位置する第２の異なる平面内にほぼある角度にわたって入射ビームを方向付ける、光学絞り。
【請求項５】
請求項１記載の光学絞りにおいて、
入射ビームを第１の平面内にほぼある角度にわたって方向付ける前記偏光格子積層体中の前記複数のバイナリステージの少なくとも一部は、入射ビームを第２の平面内にほぼある角度にわたって方向付ける前記偏光格子積層体中の前記複数のバイナリステージの少なくとも一部と交互に配置される、光学絞り。
【請求項６】
請求項３記載の光学絞りにおいて、
前記第１の組のステージの少なくとも２つの対は、絞りの出力端の近傍の第２の組のステージの２つの対と交互に配置される、光学絞り。
【請求項７】
請求項３記載の光学絞りにおいて、
前記ステージの前記第１の組に対応する前記偏光格子積層体中の前記バイナリステージのそれぞれは、前記ステージの前記第２の組に対応する前記偏光格子積層体中の前記バイナリステージの少なくとも１つに隣接する、光学絞り。
【請求項８】
請求項３記載の光学絞りにおいて、
前記組のそれぞれの格子の偏角は、前記各格子の偏角の正弦がその組の後段の部分の偏角の正弦の１／２となるように選択される、光学絞り。
【請求項９】
請求項３記載の光学絞りにおいて、
前記組中の前記格子の格子ピッチは、前記各格子の格子ピッチが後続の前記格子のピッチの２倍となるように選択される、光学絞り。
【請求項１０】
請求項３記載の光学絞りにおいて、
前記偏光格子積層体の前記各組中のそれぞれのステージは、単一の受動偏光格子（ＰＧ）がその後に続く切り換え可能な１／２波長板（ＳＨＷＰ）を備え、前記組のそれぞれの格子の偏角は、前記各格子の偏角の正弦がその組の後段の部分の偏角の正弦の１／２となるように選択される、光学絞り。
【請求項１１】
請求項１記載の光学絞りにおいて、
前記複数のゾーン充填ＯＰＡが１つ以上の粗いＯＰＡを備える、光学絞り。
【請求項１２】
請求項１１記載の光学絞りにおいて、
波面誤差（ＷＦＥ）補正のための透過型適応光学素子を更に備える、光学絞り。
【請求項１３】
請求項１記載の光学絞りにおいて、
前記ＰＧ積層体の端部と絞りの出力との間に配置される切り換え可能な波長板を更に備え、前記切り換え可能な波長板は、絞りの偏光を所望の状態に設定するために使用される、光学絞り。
【請求項１４】
請求項１記載の光学絞りにおいて、
前記ゾーン充填ＯＰＡの有効口径は、前記偏光格子積層体の有効口径よりもかなり小さい、光学絞り。
【請求項１５】
請求項１記載の光学絞りにおいて、
光ビームを前記絞りへ与えるように配置される固定ファイバ供給部、または、
光ビームを前記絞りへ与えるように配置される自由空間供給部、
のうちの少なくとも一方を更に備える、光学絞り。
【請求項１６】
請求項１記載の光学絞りにおいて、
外部収差を補償するために一般に必要とされる数よりも多い数のピクセルを有する適応光学素子（ＡＯ）を更に備え、絞りの内部で生じる収差を排除するために前記ＡＯも波面誤差（ＷＦＥ）の細かい制御をサポートする、光学絞り。
【請求項１７】
請求項１６記載の光学絞りにおいて、
前記複数のゾーン充填ＯＰＡは、前記適応光学素子と前記ＰＧ積層体との間に配置される少なくとも１つの粗いＯＰＡを備える、光学絞り。
【請求項１８】
複数のゾーン選択光位相アレイ（ＯＰＡ）と、
Ｎ個のバイナリステージを備える偏光格子積層体であって、Ｎ個の前記ステージのそれぞれがＮ個の偏角のうちの１つを与え、Ｎ個の前記ステージが、最も大きい偏角を伴うステージが絞り出力に最も近くなるように偏角を増大させる順序で配置される、偏光格子積層体と、
を備える、出力を有する光学絞り。
【請求項１９】
請求項１８記載の光学絞りにおいて、
前記偏光格子積層体中の前記複数のバイナリステージの少なくとも一部は、入射ビームを第１の平面内にほぼある角度にわたって方向付ける第１の組を備え、前記偏光格子積層体中の前記複数のバイナリステージの少なくとも一部は、前記第１の平面に対して角度を成して位置する第２の平面内にある角度にわたって入射ビームを方向付ける第２の組を備え、前記第１の組のステージの少なくとも一部が前記第２の組のステージの少なくとも一部と交互に配置される、光学絞り。
【請求項２０】
請求項１８記載の光学絞りにおいて、
Ｎ個の前記各ステージは、少なくとも１つの液晶波長板（ＬＣＷＰ）と、少なくとも１つの偏光格子とを備える、光学絞り。
【請求項２１】
請求項１８記載の光学絞りにおいて、
Ｎ個の前記ステージの少なくとも一部が第１の平面内にある角度だけ信号を偏向させるように配置され、Ｎ個の前記ステージの少なくとも一部が第２の異なる平面内にある角度だけ信号をステアリングするように配置される、光学絞り。
【請求項２２】
請求項２１記載の光学絞りにおいて、
第１の平面内で信号をステアリングするように配置されるステージは、第２の平面内で信号をステアリングするように配置されるステージと交互に配置される、光学絞り。
【請求項２３】
請求項２１記載の光学絞りにおいて、
前記第１の組のステージのそれぞれが前記第２の組のステージのそれぞれと交互に配置される、光学絞り。
【請求項２４】
請求項１８記載の光学絞りにおいて、
前記偏光格子積層体が少なくとも２つのバイナリステージを備える、光学絞り。
【請求項２５】
請求項２４記載の光学絞りにおいて、
前記偏光格子積層体のそれぞれの前記ステージは、単一の受動偏光格子（ＰＧ）がその後に続く切り換え可能な１／２波長板（ＳＨＷＰ）を備える、光学絞り。
【請求項２６】
偏光格子の積層体、特に５つのステージを備え、それぞれの前記ステージが、選択可能な偏角を有する能動偏光格子（ＰＧ）がその後に続く切り換え可能な１／２波長板（ＳＨＷＰ）から成り、前記ステージが、最も大きい偏角の大きさを伴うステージが絞り出力に最も近くなるように偏角の大きさを増大させる順序で配置される、光学絞り。
【請求項２７】
高速ステアリング光位相アレイ（ＦＳＯＰＡ）を備えるとともに、全電子ビームステアリングシステムを有するＦＳＯＰＡが設けられるようにサッカードスキャンモードを使用するアーキテクチャを有する、光学絞り。
【請求項２８】
複数のゾーン充填光位相アレイ（ＯＰＡ）と、
複数のターナリステージを備える偏光格子積層体であって、前記各ターナリステージが、少なくとも１つの液晶波長板（ＬＣＷＰ）と、少なくとも１つの偏光格子とを備え、前記各ステージが選択可能な偏角を与え、前記ステージが、最も大きい偏角の大きさを伴うステージが絞り出力に最も近くなるように偏角の大きさを増大させる順序で配置される、偏光格子積層体と、
を備える、出力を有する光学絞り。
【請求項２９】
請求項２８記載の光学絞りにおいて、
前記ＰＧ積層体の端部と絞りの出力との間に配置される切り換え可能な波長板を更に備え、前記切り換え可能な波長板は、絞りの偏光を所望の状態に設定するために使用される、光学絞り。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本明細書中に記載されるシステムおよび技術は、一般に光位相アレイに関し、特に光位相アレイのビームをステアリングすることに関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]当該技術分野において知られるように、空間的に位相同期された光エネルギおよび画像を送信し、受信し、急速にステアリングできる光学系を提供することが望ましく、そのような光学系は、それぞれが透過型でなければならない複数の個々の絞りを備える複合絞り（すなわち、複合絞りは絞りのアレイである）を有する。
【０００３】
[0003]位相歪みの適応補正が各絞りに直接に組み込まれる小型位相固定絞りのアレイを含む１つのそのような光学系は、適応光通信位相固定素子（ＡＰＰＬＥ）と称される。ＡＰＰＬＥシステムでは、従来の高分解能適応光学素子（ＡＯ）システムが、並行して動作する低分解能「局部」ＡＯサブシステム（分散型ＡＯ）に取って代えられる。
【０００４】
[0004]したがって、ＡＰＰＬＥシステムは、空間的に位相同期された光エネルギおよび画像を送信して急速にステアリングできる絞りのアレイを含み、その場合、各絞りは透過型でなければならない。
【０００５】
[0005]幾つかの用途においては、ＡＰＰＬＥシステムなどのシステムが約３−５°／秒で連続的に回転できる能力を有することが望ましい（なお、用語「スキャン」は、用語「回転（ｓｌｅｗ）」よりも慣用的であると考えられ得る）。約２ｍｓの切り換え時間を伴う既存の現在の光位相アレイ（ＯＰＡ）は、たった０．５−１°／秒でスキャンできる（１−２ｄＢの回転損失を伴う）。更に速い回転は更に高い回転損失をもたらし、これは幾つかの用途では許容できない。
【０００６】
[0006]ＯＰＡと機械的なステアリングとの組み合わせが、ＯＰＡの精度および敏捷性と機械的なステアリングの速度の大部分とを維持しつつ、ＯＰＡのみを用いて利用できる回転速度（ｓｌｅｗ  ｒａｔｅ）を超える回転速度を増大し得ることが分かってきた。
【０００７】
[0007]しかし、高いスループットをもって約３−５°／秒の範囲またはそれ以上の速度で連続的に回転できる光位相アレイを提供することが望ましい。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】ＭｃＭａｎａｍｏｎ  ｅｔ  ａｌ．，「Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｈａｓｅｄ  Ａｒｒａｙ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」（１９９６）
【非特許文献２】ＭｃＭａｎａｍｏｎ  ｅｔ  ａｌ．，「Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｐｈａｓｅｄ  Ａｒｒａｙ  Ｓｔｅｅｒｉｎｇ  ｆｏｒ  Ｎａｒｒｏｗ−ｂａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ」ｉｎ  ＩＥＥＥ｜Ｖｏｌ．９７，Ｎｏ．６，Ｊｕｎｅ  ２００９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
[0008]機械的な（リズリー）回転機構または高速光位相アレイ（ＯＰＡ）を使用して場合により約３−５°／秒の範囲を上回る回転速度を満たすことができることが分かってきた。そのような回転速度は、ＡＰＰＬＥシステムなどのシステムにおいて望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
[0009]したがって、本明細書中には、例えば適応光通信位相固定素子（ＡＰＰＬＥ）システムなどのシステムで用いるのに適する電子ビームステアリングに基づく絞り内での高速スキャン光位相アレイ（ＯＰＡ）の使用について記載される。１つの実施形態では、粗いＯＰＡおよびＡＯを光学トレインのコリメータ内に配置することにより、ＦＳ  ＯＰＡが提供される。
【００１１】
[0010]また、偏光格子の積層体についても記載され、各偏光格子は、ＡＰＰＬＥ型システムで使用されてもよい液晶波長板により制御される。
【００１２】
[0011]また、高速ＯＰＡを提供するための１つの実現可能な道筋は、約２００マイクロ秒の全波切り換え時間が測定される二重周波数液晶（ＤＦＬＣ）の導入であることも分かってきた。そのような切り換え時間を伴うＯＰＡは、約５−１０°／秒の回転をサポートする。しかし、それらの速度のＤＦＬＣ切り換えは、２００Ｖ駆動信号の印加によって得られる。また、そのような電圧レベルは高密度集積回路と適合しないと考えられ、したがって、２００Ｖ駆動信号の使用は、現在、一般に数千の電極を扱わなければならないＯＰＡにおいて実用的でないと考えられる。更に低い駆動電圧を伴うＤＦＬＣを開発することは実現可能と考えられるが、そのようなＤＦＣＬは未だ使用可能な形態で存在しない。
【００１３】
[0012]ＤＦＬＣ適応光学素子（ＡＯ）を形成することが実用的であることも分かってきた。ＡＯは、一般に、ＯＰＡが有するよりもかなり少ない電極を有するとともに、電圧制限されるアドレス指定特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を使用する必要がなく、そのため、より高い電圧を用いて駆動され得る。例えば、ＡＰＰＬＥ  ＡＯの１つの実施形態は、ＯＰＡにおける数千個と比べて、１２７個のピクセル（電極）しか有さない。ＡＰＰＬＥシステムで使用されるある１つのＡＯ構造は、別個のリードアウト導体に対する１２７個のＡＯピクセルのそれぞれの直接的な接続の一例を与える。そのような構造をおそらく２００Ｖ程度の信号を用いて駆動させることは、実用的であると思われ、また、現在利用できるＤＦＬＣ材料を使用して、非常に速いＤＦＬＣ  ＡＯへの短期的な道筋を示す。
【００１４】
[0013]そのようなＤＦＬＣ  ＡＯの考えられる実用性は、同様に少ない電極数を伴うＯＰＡも実用的であることを意味する。そのようなＯＰＡは、非常に限られたステアリングレンジを有する。しかし、サッカード動作は、角度範囲が小さいが高速であるＯＰＡを使用して、比較的高速の回転を伴うＡＰＰＬＥシステムなどの光学システムをもたらすための手段を与えることが分かってきた。
【００１５】
[0014]ＯＰＡと機械的なステアリングとの組み合わせを使用するという概念が解析されてモデリングされた。次に、そのようなハイブリッド回転システムがどのように機能するのかについて説明する。
【００１６】
[0015]１つの既存のＡＰＰＬＥシステムは、ビーム拡大コリメータの焦点面内でのファイバ供給を使用する。この場合、圧電（ＰＺＴ）アクチュエータがファイバチップの（±１００μｍ程度の）小さな横方向動作量を与える。この動作は、平行出力ビームの（コリメータの有効焦点距離に応じて±５０μラジアン程度の）小さな角度動作へと変換される。この機能は、既存のＡＰＰＬＥシステムにおける適応光学素子の急速チップ／傾き補正を行う。小さい角度のみにわたっているにもかかわらず、出力ビームの回転を与えるために同じＰＺＴアクチュエータも使用できることが分かった。しかし、ＰＺＴアクチュエータがそのレンジの端に達して、ＰＺＴアクチュエータをそのダイナミックレンジの反対側の端へリセットすることができると、第２の「従来の」ＯＰＡがＰＺＴリセットを補償するために同時に再びステアリングされて、回転が続けられ、それにより、ＡＰＰＬＥ動眼視野（ＦｏＲ）の全体にわたる角度的に連続した（しかし、時間的に変調された）回転がもたらされる。この動作方式を用いると、ＯＰＡは、漸進的なスポット動作ごとに１回以上更新されるのではなく、ＰＺＴアクチュエータがその全体のダイナミックレンジにわたってスキャンされるたびに１回更新されるだけで済み、これにより、ＯＰＡがそれら自体で与えることができるよりも高い正味回転速度が得られる。この動作モードは「サッカード」動作と称される。
【００１７】
[0016]ＡＰＰＬＥシステムの１つの実施形態において、そのＰＴＺファイバアクチュエータは、約±２スポット動作のみを与え、１．５ｋＨｚの帯域幅でのみそのようにする。角度動作または速度のいずれかを増大させることができる見込みは、高出力アレイ構造に関してはありそうもないと考えられるが、両方の増大は、サッカード動作からの利益を享受して所望の回転速度得るために必要とされる。
【００１８】
[0017]しかし、この機能を果たすために小角度高速ステアリングＯＰＡ（ＦＳＯＰＡ）が開発され得ることが分かってきた。ＦＳＯＰＡが可能な限り大きいステアリングレンジを有することが望ましい。これは、それにより、通常の（遅い）ＯＰＡリセットの頻度が減少し、したがって、より高い正味回転速度が得られるからである。しかし、ＦｏＲが大きくなればなるほど、更に多くのＯＰＡ電極が必要とされ、また、所定のパッケージサイズ（例えば、ＡＰＰＬＥｔ直径と適合するサイズ）においてどのくらいの数の電極を高電圧で駆動できるのかについては（今までのところ未知の）限界もあるが、少なくとも１００個程度の電極総数が許容できなければならないと考えられる。
【００１９】
[0018]１つの実施形態（例えば、位相２ＡＰＰＬＥｔ）において、ＯＰＡおよびＡＯは、ビームが出力ビーム直径の約半分であるコリメータ内に位置される（すなわち、デバイスは約１３ｍｍの有効口径を有さなければならない）。したがって、１つのＦＳＯＰＡ実施形態では、１００個の電極を必要とする、約９７％のステアリング効率（位相ランプごとに約１０個の位相ステップを意味する）を伴う±１０スポットの角度動作が考慮される。このことは、電極が１３０ミクロンピッチを有することを意味し、また、デバイスは２０スポット動眼視野（ＦｏＲ）を有する。
【００２０】
[0019]これは、従来のＰＺＴアクチュエータにおける約５スポットＦｏＲに匹敵する。
【００２１】
[0020]約４ｋＨｚの更新レートで連続的な相変化をサポートするＤＦＬＣデバイスのための制御方式が明らかにされてきた。また、ほぼ１０ｋＨｚまでの伸びが実現可能に見える。このモードにおいて、デバイスは、更新周期の開始時の１つの相状態から、周期の終わりの第２の相状態へと直線的に移動する。１つのスキャン損失モデルがこのケースにほぼ当てはまり、その場合、更新周期の有効時定数（例えば、４ｋＨｚで２５０μｓ）を１．８で除した値である。このスキャン損失モデルは、応答時定数、ここでは１４０μｓごとに波長／絞り直径の０．２５倍のスキャンレートでスキャン損失が１ｄＢであることを示す。したがって、１ｄＢ損失における物体空間での回転速度は毎秒０．０７６ラジアン（４．４°）である。この損失は、回転速度に直線的に対応する。４．４°／ｓでは、２０スポット（８４０マイクロラジアン）サッカード周期が１１ｍｓとなる。従来のＯＰＡがリセットするブロッキング時間は約２ｍｓであり、そのため、この間隔にわたって平均化される更なる損失も約１ｄＢである。ポイント設計が適切に問題に取り組むと思われる。システムシミュレーションは、更に幾分最適なＦＳＯＰＡ構造もたらすと期待される。
【００２２】
[0021]なお、サッカード動作は、多くの方法でシステム性能に影響を与える。以下では、そのうちの２つについて論じる。
【００２３】
[0022]ＦＳＯＰＡが２０スポットＦｏＲのエッジに達すると、ＦＳＯＰＡがリセットし、「標準的な」大角度ＯＰＡは、２０スポットの角度変化を補償するように更新される。カルマン推定器は、更新が行われるときにビームを標的に戻すことができるように標的がリセット中にどこへ移動すべきだったかを予測するために使用することができる。リセット時間が短くなればなるほど、標的が予期されるカルマン不確実性を越えてコースを変えなかったという仮定が更に良好になる。現在の２ｍｓのリセット時間の場合、これは、標的ダウンレンジ軌道に沿う動きに関して妥当な予想であるように思える。標的が２ｍｓで複数のスポットクロスレンジにわたって移動しそうである（あるいは、プラットフォームジッターを介して移動するように見える）かどうかが考慮される必要がある。
【００２４】
[0023]サッカード動作のリセットは、標的での出力を効果的に減少させる。ＡＰＰＬＥｔのアレイにおいて、リセット損失は、異なるＡＰＰＬＥｔに関して異なる時間に生じるようにリセットをプログラムすることによって軽減され得る。軽減度合いは、サッカードスキャンの長さと比べられるリセット時間の長さによって決まる。
【００２５】
[0024]これらのサッカード欠点のいずれも、より速いリセットＯＰＡにより軽減できる。リセットをサポートする粗いＯＰＡは、１００よりもかなり少ないピン配列を有していると思われ、そのため、これらのデバイスは、ＤＦＬＣの使用の候補でもある。その場合、サッカード中のデッドタイムは単に１更新間隔にすぎない。
【００２６】
[0025]ＦＳＯＰＡステアリングシステムの開発は、既存のＡＰＰＬＥシステムにおける前述したＰＺＴファイバアクチュエータの排除を可能にする。ＦＳＯＰＡは、更に高速であり（殆ど大きさの程度により）、また、ＡＰＰＬＥシステムで使用される現在のＰＺＴファイバアクチュエータが有するよりも４倍大きい角度範囲を有する。ＦＳＯＰＡは、ＰＺＴアクチュエータと同じ作業、すなわち、適応光学素子のためのチップ／傾き補正を行うことができるが、それを更に高速で行うことができると同時に、必要とされる高速回転をサポートできる。
【００２７】
[0026]したがって、各部分絞り（ＡＰＰＬＥシステムなど）に直接に組み込まれる位相歪みの適応補正を伴う位相固定部分絞りのアレイは、ＦＳＯＰＡがＰＺＴファイバアクチュエータに取って代わる状態（それぞれの寸法ごとに１つのＦＳＯＰＡが必要とされることに留意されたい）でより良好に機能できる。
【００２８】
[0027]ＰＺＴファイバアクチュエータをＦＳＯＰＡと置き換えると、ＡＰＰＬＥシステムにおける機械的な動きが排除され、それにより、真の非機械的な全電子システム、および、かなりロバストなシステムが得られる。ＦＳＯＰＡは、少なくとも従来のＯＰＡと同じ程度のロバスト性があり、これは、試験から、数百ｇの衝撃加速度まで使用できる。
【００２９】
[0028]また、現在のＡＰＰＬＥシステムに伴う１つの想定し得る問題は、オーバーモード伝送用ファイバにおける高次モードの明らかな存在である。これらのモードは、ファイバが曲げられるときにファイバコア内で動き回り、相対位相を変化させ、および、出力ビームを変形させるとともに動き回らせ、また、その動きは、望ましい指向精度を満たすことができないようにすると思われる。ＰＺＴファイバアクチュエータをＦＳＯＰＡと置き換えることは、ファイバがもはや移動する必要がなく強固に固定され得ること、それにより、モード動作がおそらくかなり減少されることを意味する。
【００３０】
[0029]また、固定された供給ポイントは、ＡＰＰＬＥシステムが自由空間レーザによって供給され得るようにもする。したがって、ＡＰＰＬＥ型システムはもはやファイバレーザに制限されない。ファイバレーザは、それらの高い効率により、ある意味では好ましいが、他のレーザタイプは他の想定し得る利点を与え、新たなＡＰＰＬＥ構造によりトレードオフを行うことができる。一例として、Ｒａｙｔｈｅｏｎ  Ｓｐａｃｅ  ａｎｄ  Ａｉｒｂｏｒｎｅ  Ｓｙｓｔｅｍ（ＳＡＳ），Ｅｌ  Ｓｅｇｕｎｄｏ  Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ  ９０２４５，ＵＳＡによって開発された、いわゆる半導波型高アスペクト比コア（ＳＨＡＲＣ）レーザは、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）の軽減への代わりの道筋を与える。これは、有効コアサイズが、ＡＰＰＬＥで現在使用されるオーバーモード２５ミクロンコアファイバよりもかなり大きいからである。ＲＩＦＬ（数ＧＨｚでの位相変調）によってとられる現在のＳＢＳ軽減手法がＡＰＰＬＥ制御システムと適合しないことが分かれば、ＳＨＡＲＣは素早い解決策を与える。ＳＨＡＲＣは、コンパクトであり、効率が比較的高い（壁コンセントで２５％の効率が予測される）。また、ＳＨＡＲＣは、シングルモードファイバレ−ザにおいて予測される（３−５ｋＷ）よりも高い出力（１０ｋＷ）で動作する見込みを与え、このことは、ＡＰＰＬＥシステムの部分絞りごとの出力が、ファイバレーザではなくＡＰＰＬＥｔ構成要素の損傷レベルによって制限されることを意味する。アレイを所望の出力レベルにスケーリングするために必要なＡＰＰＬＥｔの数を減少させる（あるいは理想的には最小限に抑える）ために、部分絞りごとに可能な限り高い出力を使用することが望ましいと考えられる。ＳＨＡＲＣレーザはその見込みを与え、また、本明細書中に記載されるＡＰＰＬＥアーキテクチャは、ＳＨＡＲＣレーザの使用を実現可能にする。
【００３１】
[0030]複数の絞りの使用を必要とする広角電子ビームステアリングシステムが高出力指向性エネルギ兵器（ＤＥＷ）用途において有用であることが分かってきた。これらのシステムにおいては、高い充填比、高いスループット、および、高いスキャン速度のすべてが必要とされる。ここで、「充填比」とは、支持構造に託される非放射領域とは対照的に、実際に個々の絞りの放射領域内にある複合絞りの表面領域の割合のことである。高面積充填比は、離れた標的でコンパクトな高効率のビームを維持するために重要であり、また、本明細書に開示されるアーキテクチャによって直接に可能にされる。
【００３２】
[0031]本発明によれば、ゾーン充填ＯＰＡの面積オーバーヘッドの排除は、ビームが更に小さく且つオーバーヘッドのための空間がその周囲に存在する場所の内部でこれらのＯＰＡを移動させることによって達成できる。また、角度アドレス指定されるのではなく電気的に制御される偏光格子（ＰＧ）を使用して、これらの格子を通じたステアリング可能ビームの伝達を行うこともできる。また、少なくとも１つの非常に速い二重周波数液晶（ＤＦＬＣ）に基づくＯＰＡ対を高速スキャンのために実装できる。
【００３３】
[0032]ＤＦＬＣに基づくＯＰＡが概念的に説明されてきたが、電圧要件は、内蔵制御ＡＳＩＣのための新規で高価な開発を要とすると考えられる。しかし、本明細書には、妥当なピン配列により基板外で制御され得る非常に小さい角度範囲を有するＤＦＬＣ  ＯＰＡが記載される。また、発散ビーム中でのＯＰＡの使用は、困難であると考えられてきた。しかし、本発明によれば、これらの要素は、非自明的な良好に最適化されたシステム概念においてＰＧと組み合わされる。
【００３４】
[0033]これは、デバイス効率と所望のスキャン速度を満たすのに十分な高速でスキャンできる能力とを向上させる際の１つの重要なファクタである。
【００３５】
[0034]本発明の更なる態様によれば、５つのステージを有する絞りが提供され、各ステージは、約１°、２°、４°、８°および１６°の偏向Ｓを有する単一の受動偏光格子（ＰＧ）がその後に続く切り換え可能な１／２波長板（ＳＨＷＰ）を備える。この構造は、２°の分解能をもって±３１°の動眼視野（ＦｏＲ）をサポートする（ゼロ偏向状態は利用できない）。
【００３６】
[0035]例えば、１６°の偏向を除きすべてのＰＧにおいて−Ｓを選択することにより、システムは１度（１°）の角度を与える。次の利用可能な角度＋３°は｛＋１°，−２°，−４°，−８°，＋１６°｝である。したがって、受動ＰＧのケースにおいて、前述した手法は、前述した従来技術の手法で提案されるのと同じ分解能に関してＰＧの数が約半分で済む。
【００３７】
[0036]ここで、能動ＰＧのケースについて考えると、１°、３°、９°および２７°の偏向が使用される場合には、約±３０°をカバーするために従来技術の手法で使用される同じ数のＰＧを用いて、±４０°をカバーすることができ、また、本発明の手法は、１°の分解能の向上も与える。すべてのＰＧを＋Ｓに設定することにより＋４０°を得ることができる。最初を除いてすべてのＰＧをゼロにすることにより（すなわち、偏向を排除するようにＰＧに電圧を印加することにより）１°を得ることができる。
【００３８】
[0037]前述した手法を用いると、３°；４°＝３°＋１°，５°＝９°−３°−１°；等を除くすべてに関して２°＝３°−１°；３°＝ゼロを得ることができる。
【００３９】
[0038]本明細書中に記載されるシステムおよび技術の概念によれば、光学絞りは、複数のゾーン充填光位相アレイ（ＯＰＡ）と、複数のバイナリステージを備える偏光格子積層体とを含み、各バイナリステージは、少なくとも１つの液晶波長板（ＬＣＷＰ）と、少なくとも１つの偏光格子とを備え、各ステージが選択可能な偏角を与え、ステージは、最も大きい偏角の大きさを伴うステージが絞り出力に最も近くなるように偏角の大きさを増大させる順序で配置される。そのような角度増大配置は、「ウォークオフ」、すなわち、光学系の中心線からのビーム中心線の逸脱により引き起こされるビーム出力の損失を制御するために望ましい。
【００４０】
[0039]１つの実施形態において、偏光格子積層体は、該積層体に与えられる光信号の二次元角度制御を行う。
【００４１】
[0040]１つの実施形態において、偏光格子積層体中の複数のバイナリステージの少なくとも一部は、入射ビームを第１の平面内にほぼある角度にわたって方向付ける第１の組を備え、また、偏光格子積層体中の前記複数のバイナリステージの少なくとも一部は、第１の平面に対して角度を成して位置する第２の異なる平面内にある角度にわたって入射ビームを方向付ける第２の組を備え、第１の組のステージの少なくとも一部は、第２の組のステージの少なくとも一部と交互に配置される。この場合も先と同様に、角度増大（したがって、二次元ステアリングにおいては交互配置される）配置は、「ウォークオフ」、すなわち、光学系の中心線からのビーム中心線の逸脱により引き起こされるビーム出力の損失を制御するために望ましい。
【００４２】
[0041]１つの実施形態において、偏光格子積層体中の前記複数のバイナリステージの少なくとも一部は、入射ビームを第１の平面内にほぼある角度にわたって方向付け、また、前記偏光格子積層体中の前記複数のバイナリステージの少なくとも一部は、第１の平面に対して角度を成して位置する第２の異なる平面内にほぼある角度にわたって入射ビームを方向付ける。
【００４３】
[0042]１つの実施形態において、入射ビームを第１の平面内にほぼある角度にわたって方向付ける偏光格子積層体中の複数のバイナリステージの少なくとも一部は、入射ビームを第２の平面内にほぼある角度にわたって方向付ける前記偏光格子積層体中の前記複数のバイナリステージの少なくとも一部と交互に配置される。
【００４４】
[0043]１つの実施形態において、第１の組のステージの少なくとも２つの対は、絞りの出力端の近傍の第２の組のステージの２つの対と交互に配置される。
【００４５】
[0044]１つの実施形態において、ステージの第１の組に対応する偏光格子積層体中のバイナリステージのそれぞれは、ステージの第２の組に対応する前記偏光格子積層体中のバイナリステージの少なくとも１つに隣接する。
【００４６】
[0045]１つの実施形態において、各組の格子の偏角は、各格子の偏角の正弦がその組の後段の部分の偏角の正弦の１／２となるように選択される。
【００４７】
[0046]１つの実施形態において、組中の格子の格子ピッチは、各格子の格子ピッチが後続の格子のピッチの２倍となるように選択される。
【００４８】
[0047]１つの実施形態において、前記偏光格子積層体の各組中のそれぞれのステージは、単一の受動偏光格子（ＰＧ）がその後に続く切り換え可能な１／２波長板（ＳＨＷＰ）を備え、各組の格子の偏角は、各格子の偏角の正弦がその組の後段の部分の偏角の正弦の１／２となるように選択される。
【００４９】
[0048]１つの実施形態では、複数のゾーン充填ＯＰＡが１つ以上の粗いＯＰＡを備える。
【００５０】
[0049]１つの実施形態において、絞りは、波面誤差（ＷＦＥ）補正のための透過型適応光学素子を更に備える。
【００５１】
[0050]１つの実施形態において、絞りは、前記ＰＧ積層体の端部と絞りの出力との間に配置される切り換え可能な波長板を更に備え、前記切り換え可能な波長板は、絞りの偏光を所望の状態に設定するために使用される。
【００５２】
[0051]１つの実施形態において、ゾーン充填ＯＰＡの有効口径は、前記偏光格子積層体の有効口径よりもかなり小さい。
【００５３】
[0052]１つの実施形態において、絞りは、光ビームを前記絞りへ与えるように配置される固定ファイバ供給部、または、光ビームを前記絞りへ与えるように配置される自由空間供給部のうちの少なくとも一方を更に備える。
【００５４】
[0053]１つの実施形態において、絞りは、外部収差を補償するために一般に必要とされる数よりも多い数のピクセルを有する適応光学素子（ＡＯ）を更に備え、絞りの内部で生じる収差を排除するために前記ＡＯも波面誤差（ＷＦＥ）の細かい制御をサポートする。
【００５５】
[0054]１つの実施形態において、複数のゾーン充填ＯＰＡは、前記適応光学素子と前記ＰＧ積層体との間に配置される少なくとも１つの粗いＯＰＡを備える。
【００５６】
[0055]本明細書中に記載されるシステムおよび技術の概念の更なる他の態様によれば、光学絞りは、複数のゾーン選択光位相アレイ（ＯＰＡ）と、偏光格子（ＰＧ）積層体とを含む。ＰＧ積層体はＮ個のバイナリステージを含み、Ｎ個のステージのそれぞれがＮ個の偏角のうちの１つを与え、Ｎ個のステージは、最も大きい偏角の大きさを伴うステージが絞り出力に最も近くなるように偏角の大きさを増大させる順序で配置される。
【００５７】
[0056]１つの実施形態では、ＰＧ積層体中の複数のバイナリステージの少なくとも一部が第１の組を形成し、ＰＧ積層体中の複数のバイナリステージの少なくとも一部が第２の組を形成する。第１の組は、入射ビームを第１の平面内にほぼある角度にわたって方向付け、第２の組は、第２の異なる平面内にある角度にわたって入射ビームを方向付ける。１つの実施形態において、第１の組のステージの少なくとも一部は、第２の組のステージの少なくとも一部と交互に配置される。１つの実施形態において、Ｎ個の各ステージは、少なくとも１つの液晶波長板（ＬＣＷＰ）と、少なくとも１つの偏光格子とを備える。
【００５８】
[0057]１つの実施形態において、第１の平面内で信号をステアリングするように配置されるステージは、第２の平面内で信号をステアリングするように配置されるステージと交互に配置される。１つの実施形態において、第１の組のステージのそれぞれは、第２の組のステージのそれぞれと交互に配置される。
【００５９】
[0058]１つの実施形態において、ＰＧ積層体のそれぞれのステージは、単一の受動偏光格子（ＰＧ）がその後に続く切り換え可能な１／２波長板（ＳＨＷＰ）を備える。
【００６０】
[0059]本明細書中に記載されるシステムおよび技術の概念の更なる他の態様によれば、光学絞りが偏光格子の積層体を備え、それぞれの偏光格子は、選択可能な偏角を有する能動偏光格子（ＰＧ）がその後に続く切り換え可能な１／２波長板（ＳＨＷＰ）から成り、ステージは、最も大きい偏角の大きさを伴うステージが絞り出力に最も近くなるように偏角の大きさを増大させる順序で配置される。
【００６１】
[0060] 本明細書中に記載されるシステムおよび技術の概念の更なる他の態様によれば、光学絞りは、高速ステアリング光位相アレイ（ＦＳＯＰＡ）を備えるとともに、全電子ビームステアリングシステムを有するＦＳＯＰＡが設けられるようにサッカードスキャンモードを使用するアーキテクチャを有する。
【００６２】
[0061]本明細書中に記載されるシステムおよび技術の概念の更なる他の態様によれば、光学絞りは、複数のゾーン充填光位相アレイ（ＯＰＡ）と、複数のターナリステージを備える偏光格子積層体とを含み、前記各ターナリステージは、少なくとも１つの液晶波長板（ＬＣＷＰ）と、少なくとも１つの能動偏光格子とを備え、各ステージが選択可能な偏角を与え、ステージは、最も大きい偏角の大きさを伴うステージが絞り出力に最も近くなるように偏角の大きさを増大させる順序で配置される。
【００６３】
[0062]１つの実施形態において、絞りは、前記ＰＧ積層体の端部と絞りの出力との間に配置される切り換え可能な波長板を更に備え、前記切り換え可能な波長板は、絞りの偏光を所望の状態に設定するために使用される。
【００６４】
[0063]本明細書中に記載されるシステムおよび技術の概念の更なる他の態様によれば、複合絞りが複数の絞りを含み、各絞りは、ＰＧ積層体と、偏光を所望の状態に設定して遠視野における複数の絞りの出力のコヒーレント結合を可能にするために絞りの出力にある最後の切り換え可能な波長板とを備える（遠視野における複数の絞りの出力のコヒーレント結合は、すべての絞りエミッタがほぼ同じ偏光を発することを必要とするため）。
【００６５】
[0064]本明細書中に記載される回路および技術の前述の特徴は、図面の以下の説明から更に十分に理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】光学絞りの断面図である[0065]。
【図１Ａ】光学絞りの一部の断面図である[0066]。
【図２】複合絞りの平面図である[0067]。
【図３】ＤＦＬＣデバイスのための制御方式のプロットである[0068]。
【発明を実施するための形態】
【００６７】
[0069]本明細書中には、例えば適応光通信位相固定素子（ＡＰＰＬＥ）システムなどのシステムで用いるのに適する電子ビームステアリングに基づく絞り内での高速スキャン光位相アレイ（ＦＳ  ＯＰＡ）の使用について記載される。
【００６８】
[0070]また、偏光格子（ＰＧ）の積層体についても記載され、各偏光格子は、ＡＰＰＬＥシステムで使用されてもよい液晶波長板により制御される。
【００６９】
[0071]高速スキャン光位相アレイおよび偏光格子のアーキテクチャについて説明する前に、幾つかの専門用語が規定される。本明細書中で使用される用語「絞りモジュール」、または、より簡単に「絞り」とは、１つ以上のＯＰＡデバイス、少なくとも幾つかのインターリーブＰＧ素子を有する偏光格子（ＰＧ）積層体、適応光学素子（ＡＯ）部、粗いＯＰＡ、および、１つ以上の１／２波長板を有する光学トレインのことである。１つの典型的な絞りは、「ＡＰＰＬＥｔ」と称される改良ＡＰＰＬＥアーキテクチャである。用語「複合絞り」、「光位相アレイ」、または、より簡単に「アレイ」とは、互いに協働するように配置される複数の絞りのことである。光位相アレイビームステアリングとの関連で、「スポット」はλ／Ｄの角度シフトとして定義され、ここで、λは動作波長であり、Ｄはビーム直径である。当該技術分野において良く知られるように、ビームが平行にされて直径Ｄ１を有する光学トレイン中の一点での１スポット角度シフト（すなわち、λ／Ｄ１のシフト）は、ビーム直径をＤ１からＤ２へと変換する任意のアフォーカルレンズ系によって異なる角度λ／Ｄ２へと変えられる。これは、新たなビーム直径においても依然として１つの「スポット」である。すなわち、複数のスポットで測定される１つの角度は拡大下で不変である。
【００７０】
[0072]ここで、図１を参照すると、光学絞り１０は、ＰＧ積層体１２、レンズ１４、粗いステアリング部１６、適応光学素子（ＡＯ）部１８、および、レンズ２０、並びに、波長板２２（例えば、切り換え可能な波長板）を含む。絞りを通じて伝搬する光が参照符号２３を用いて表される。波長板２２は、ＰＧ積層体の一端と絞りの出力との間に配置される。波長板２２は、絞り１０の偏光を所望の状態に設定するように制御される。言うまでもなく、絞りの出力端での偏光切り換えサブシステムの使用は、ＰＧ積層体内の様々な切り換え可能デバイスの設定によって決まる出力偏光状態をもたらす。複合絞り（または、例えば図２に示されるようなマルチ絞りアレイ）において、遠視野における出力のコヒーレント結合は、すべてのエミッタがほぼ同じ偏光を発することを必要とする。したがって、切り換え可能な波長板２２は、偏光を所望の状態に設定するために使用される。
【００７１】
[0073]１つの実施形態では、ＰＧ積層体１２が複数のバイナリステージ１２ａ−１２Ｎを備え、この場合、各ステージは、少なくとも１つのＯＰＡデバイスと、受動ＰＧとを備える。代わりの実施形態では、ＰＧ積層体１２が１つ以上の能動液晶１／２波長板（ＬＣＷＨＰ）を含む。１つの実施形態では、ＰＧ積層体１２が複数のバイナリステージを備え、各バイナリステージは、少なくとも１つの液晶波長板（ＬＣＷＰ）と、少なくとも１つの偏光格子とを備え、その場合、各ステージが選択可能な偏角を与える。重要なことには、ステージは、最も大きい偏角の大きさを伴うステージが絞り出力に最も近くなるように偏角の大きさを増大させる順序で配置される。一般に、偏角の大きさおよびＰＧ積層体中のステージの数Ｎは、所望の動眼視野（ＦｏＲ）を与えるように選択される。
【００７２】
[0074]ＰＧ積層体１２は、該積層体に与えられる光信号の二次元角度制御を行う。そのような二次元角度制御を行うために、ＰＧステージの第１の組に対応するＰＧ積層体１２中の複数のバイナリステージの少なくとも一部は、入射ビームを第１の平面内にほぼある角度にわたって方向付け、また、ＰＧ積層体１２中の複数のバイナリステージの少なくとも一部は、第１の平面に対して角度を成して位置する第２の異なる平面内にある角度にわたって入射ビームを方向付けるＰＧステージの第２の組に対応する。第１および第２の平面は、互いに直交してもよく、あるいは、直交していなくてもよい。したがって、広範囲な二次元角度制御が利用できる。重要なことには、第１の組のステージの少なくとも一部は、第２の組のステージの少なくとも一部と交互に配置される。１つの実施形態において、ステージの第１の組に対応するＰＧ積層体１２中のバイナリステージのそれぞれは、ステージの第２の組に対応するＰＧ積層体１２中のバイナリステージの少なくとも１つに隣接する。
【００７３】
[0075]複数のバイナリステージを得るために、それぞれの組の格子の偏角は、各格子の偏角の正弦がその組の後段の部分の偏角の正弦の１／２となるように選択される。１つの実施形態において、組中の格子の格子ピッチは、各格子の格子ピッチが後続の格子のピッチの２倍となるようになっている。
【００７４】
[0076]図１に示されるアーキテクチャを用いると、固定ファイバレーザおよび／または自由空間レーザによってシステムに供給できるようにする所定の供給ポイントを有する絞り１０を提供できる。
【００７５】
[0077]ここで、図１Ａを参照すると、図１の絞り１０と同じであってもよいあるいは類似してもよい光学絞り１０’の一部は、ＰＧ積層体３２の一端の近傍に（ここでは、隣接して）配置される液晶１／２波長板（ＬＣＨＷＰ）３０を含む。この典型的な実施形態において、ＰＧ積層体３０は、第１のステアリング方向のための第１の複数のあるいは一組の、ここでは７個のバイナリステージ３２ａ−３２ｇと、第２の異なるステアリング方向のための第２の複数のあるいは一組の、ここでは７個のバイナリステージ３４ａ−３４ｇとを備える。したがって、ＰＧ積層体３２は二次元でのステアリングを可能にする。ステアリング方向は、２つの直交する方向（例えば、方位角および仰角）または非直交方向に対応してもよい。
【００７６】
[0078]第１の組のステージの数を第２の組のステージの数に等しくする必要がないことは言うまでもない。また、第１の組によって与えられる偏角の大きさは、第２の組における偏角の大きさと等しい必要はない。
【００７７】
[0079]それぞれのバイナリステージは、図１Ａに全体的に３６で示される少なくとも１つの液晶波長板（ＬＣＷＰ）（ＯＰＡデバイス）と、少なくとも１つの偏光格子３８ａ−３８ｇ，４０ａ−４０ｇとを備える。したがって、各ステージ３２ａ−３２ｇ，３４ａ，３４ｇは選択可能な偏角を与え、また、ステージは、最も大きい偏角の大きさを伴うステージが絞り出力に最も近くなるように偏角の大きさを増大させる順序で配置される。この典型的な実施形態において、ＰＧ積層体３２のステージにより与えられる偏角は、おおよそ、±０．２５°、±０．５°、±１．０°、±２．０°、±４．０°、±８．０°、±１６．０°である。勿論、他の偏角の大きさが使用されてもよい。一般に、偏角の大きさおよびＰＧ積層体中のステージの数は、所望の動眼視野（ＦｏＲ）を与えるように選択される。
【００７８】
[0080]図１Ａの実施形態において、第１の組のステージ３８ａ−３８ｇは第２の組のステージ４０ａ−４０ｇと交互に配置される。１つの実施形態において、ステージの第１の組に対応するＰＧ積層体中のバイナリステージのそれぞれは、ステージの第２の組に対応するＰＧ積層体１２中のバイナリステージのうちの少なくとも１つに隣接する。１つの実施形態では、第１の組のステージの少なくとも２つの対が、絞りの出力端の近傍の第２の組のステージの２つの対と交互に配置される。したがって、幾つかの実施形態では、幾つかのステージが交互に配置され、他のステージが交互に配置されなくてもよい。そのような実施形態では、交互配置されるステージが絞り出力の近傍にあることが好ましい。
【００７９】
[0081]粗いステアリング部が、複数の、ここでは２つのＯＰＡデバイス４６ａ，４６ｂから与えられ、また、ＡＯ部が、複数の、ここでは３つのＯＰＡデバイス（ＴＴＯＰＡ）４８ａ，４８ｂ，４８ｃから与えられる。
【００８０】
[0082]前述した改良ＡＰＰＬＥアーキテクチャは、幾つかの用途にとって望ましい３−５°／秒以上の範囲の連続する回転速度を与える。アーキテクチャは、いわゆる「サッカード」スキャンモードを使用するが、高速ステアリングＯＰＡ（ＦＳＯＰＡ）が実装される。
【００８１】
[0083]この手法は、高電圧アドレス指定（例えば、約２００Ｖの範囲まで）のために電極を配線接続でき、そのため、電極が比較的低い電圧ＯＰＡよりもかなり高速で切り換わることができるように選択される十分に少ない電極を有する二重周波数液晶（ＤＦＬＣ）に基づくＦＳＯＰＡの構造によって可能にされる。したがって、本明細書中に記載される手法は、機械的なファイバアクチュエータの必要性を排除する一方で、同時に、既存のＯＰＡにより達成できる回転速度よりも十分に高い（すなわち、速い）速度での回転を可能にする。
【００８２】
[0084]１つの実施形態において、初期性能評価は、ＦＳＯＰＡを有するＡＰＰＬＥシステムが、約１°／秒の回転速度を有する現在のＡＰＰＬＥシステムの回転損失レベルと同様の回転損失レベルを有しつつ、約８°／秒で回転することを示唆する。これは、ほぼ大きさの程度の改善を表す。
【００８３】
[0085]この手法の大きな利点としては、以下の利点、すなわち、（１）この手法が既存のＬＣ材料を利用する；（２）この手法が、既存の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を利用して、所望の制御信号をＯＰＡへ与える；（３）この手法が、偏光格子ワークのために使用される既存のＤＦＬＣアドレス指定技術を利用する；（４）この手法が圧電ファイバアクチュエータを必要としない；（５）この手法によりファイバを強固に装着でき、それにより、ファイバ動作により誘発される高次モードを軽減してパッケージングを簡略化するのに役立つはずである；（６）この手法は、更に高い出力または更に少ない高次モードのための自由空間レーザ源の今後の使用を可能にする；（７）ＦＳＯＰＡは、幾つかの用途では、高速ステアリングミラー（ＦＳＭ）に取って代わることができるかもしれない；および、（８）ＦＳＯＰＡは、ほぼ同じ角度範囲を有しつつ且つＦＳＭよりも優れた他の性能パラメータを有しつつ、現在利用できる機械的なＦＳＭよりも約１０倍速い、という利点が挙げられるが、これらに限定されない。
【００８４】
[0086]ＡＯは、一般に、ＯＰＡが有するよりもかなり少ない電極を有するとともに、電圧制限されるアドレス指定特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を使用する必要がなく、そのため、より高い電圧を用いて駆動され得る。現在のＡＰＰＬＥ  ＡＯは、ＯＰＡにおける数千個と比べて、１２７個のピクセル（電極）しか有さない。ある１つのＡＯ構造（例えば、ＡＰＰＬＥ位相０の下で開発された構造）は、別個のリードアウト導体に対する１２７個のＡＯピクセルのそれぞれの直接的な接続の一例を与える。１つの実施形態において、そのようなＡＯ構造をおそらく２００Ｖ程度の信号を用いて駆動させることは、実用的であると思われ、また、現在利用できるＤＦＬＣ材料を使用してＤＦＬＣ  ＡＯとして与えられる非常に速いＡＯへの短期的な道筋を示す。なお、１２７個というピクセルの数は、大気を通じた伝搬などの外部収差を補償するために一般に必要とされる数よりもかなり多いが、我々は、波面誤差（ＷＦＥ）の細かい制御をサポートして、我々のシステム内部で生じる収差を排除するために、そのようなＡＯを含める。そのような収差は、（製造コストを低減するために）意図的に緩和される製造公差に起因して、あるいは、高出力レーザ源と共に使用されるシステムでのエネルギの吸収によって促される熱誘導ＷＦＥに起因して存在する場合がある。
【００８５】
[0087]そのようなＯＦＬＣ  ＡＯの実用性は、同様に少ない電極総数を有するＯＰＡも実用的であることを意味する。そのようなＯＰＡは、非常に限られたステアリングレンジを有する。しかし、サッカード動作は、小さい角度範囲を有するがＡＰＰＬＥに高速回転を与えるために高い速度を有するＯＰＡを使用するための手段を与える。
【００８６】
[0088]ＯＰＡと機械的なステアリングとの組み合わせが、ＯＰＡの精度および敏捷性と機械的なステアリングの速度の大部分とを維持しつつ、ＯＰＡのみを用いて利用できる回転速度を超える回転速度を増大し得ることが分かってきた。以下では、そのようなハイブリッド回転システムがいわゆるサッカード動作に基づいてどのように作用するのかについて説明する。
【００８７】
[0089]ＡＰＰＬＥは、ビーム拡大コリメータの焦点面内でのファイバ供給を使用する。圧電（ＰＺＴ）アクチュエータがファイバチップの（±１００μｍ程度の）小さな横方向動作量を与え、この動作は、平行出力ビームの（コリメータの有効焦点距離に応じて±５０μラジアン程度の）小さな角度動作へと変換される。この機能は、現在のＡＰＰＬＥシステムにおける適応光学素子に急速チップ／傾き補正を与える。小さい角度のみにわたっているにもかかわらず、出力ビームの回転を与えるために同じＰＺＴアクチュエータも使用できることが分かった。しかし、ＰＺＴアクチュエータがそのレンジの端に達して、ＰＺＴアクチュエータをそのダイナミックレンジの反対側の端へリセットすることができると、第２の「従来の」ＯＰＡがＰＺＴリセットを補償するために同時に再びステアリングされて、回転が続けられ、それにより、ＡＰＰＬＥ動眼視野の全体にわたる角度的に連続した（しかし、時間的に変調された）回転がもたらされる。この動作方式を用いると、ＯＰＡは、漸進的なビーム動作ごとに１回以上更新されるのではなく、ＰＺＴアクチュエータがその全体のダイナミックレンジにわたってスキャンされるたびに１回更新されるだけで済み、これにより、ＯＰＡがそれら自体で与えることができるよりも高い正味回転速度が得られる。この動作モードは、人の視力を促進させる急速眼球運動に類似する「サッカード」動作と称される。
【００８８】
[0090]現在のＡＰＰＬＥシステムのＰＺＴファイバアクチュエータは、約±２スポット動作のみを与え、１．５ｋＨｚの帯域幅でのみそのようにする。角度動作または速度のいずれかを増大させることができる見込みは、高出力アレイ構造に関してはありそうもないと考えられるが、両方の増大は、サッカード動作からの利益を享受して所望の回転速度得るために必要とされる。しかし、本明細書中に記載されるように、小角度高速ステアリングＯＰＡを使用してこの課題を達成できる。
【００８９】
[0091]ＦＳＯＰＡが所定の平均スループットで可能な限り大きいステアリングレンジを有することが望ましい。これは、それにより、通常の（遅い）ＯＰＡリセットの頻度が減少し、したがって、より高い正味回転速度が得られるからである。しかし、ＦｏＲが大きくなればなるほど、許容できるほど高いステアリング効率を維持するために更に多くのＯＰＡ電極が必要とされ、また、現在利用できる相互接続技術は、高電圧を１０〜２０ｍｍサイズのＯＰＡに接続する１００〜２００を越えるトレースをサポートしない。したがって、少なくとも１００個程度の電極総数が許容できなければならないと考えられる。
【００９０】
[0092]ＡＰＰＬＥシステム（例えば、１２７個のピクセル／リードアウトを有する、ＡＰＰＬＥ位相０ＡＯ）とのパッケージング経験に基づき、２００Ｖで駆動される１００個の電極が可能であると考えられる。なお、ランプごとにＮ個の位相ステップを伴うステアリングが、ｓｉｎｃ2（Π／Ｎ）のステアリング効率、すなわち、Ｎ＞４の場合に、約１−２／Ｎ2の効率を意味することに留意すべきである（ＭｃＭａｎａｍｏｎらの文献「Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｈａｓｅｄ  Ａｒｒａｙ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」（１９９６）を参照）（非特許文献１）。位相２の場合、ＡＰＰＬＥｔ、ＯＰＡ、および、ＡＯは、ビームが出力ビーム直径の約半分であるコリメータ内に位置されなければならない。すなわち、デバイスは約１３ｍｍの有効口径を有さなければならない。したがって、１つの実施形態では、１００個の電極を必要とする、約９７％のステアリング効率（位相ランプごとに約１０個の位相ステップを意味する）を伴う±１０スポットの角度動作を考慮されたい。このことは、電極が１３０ミクロンピッチを有することを意味する。デバイスは２０スポットＦｏＲを有する。これは、ＰＺＴアクチュエータを使用するシステムにおける約５スポットに匹敵する。
【００９１】
[0093]ここで、図２を参照すると、複合絞り５０は、一般に５２で示される複数の絞りを備える。絞り５２は、図１および図１Ａと関連して前述した絞り１０，３０と同じあるいは類似するタイプを成してもよい。前述したように、絞りの出力端での偏光切り換えサブシステムの使用は、前述したＰＧ積層体内の様々な切り換え可能デバイスの設定によって決まる出力偏光状態をもたらす。したがって、複合絞り５０において、遠視野における出力のコヒーレント結合は、すべてのエミッタがほぼ同じ偏光を発することを必要とする。したがって、図１および図１Ａと関連して前述した波長板２２，３０などの切り換え可能な波長板は、偏光を所望の状態に設定するため、したがって、出力のコヒーレント結合を可能にするために使用される。
【００９２】
[0094]ここで、図３を参照すると、約４ｋＨｚの更新レートで連続的な相変化をサポートするＤＦＬＣデバイスのための制御方式が示されており、また、ほぼ１０ｋＨｚまでの伸びが実現可能に見える。このモードにおいて、ＯＰＡデバイス内の各移相器は、更新周期の開始時の１つの相状態から、周期の終わりの第２の相状態へと直線的に移動する。１つの既存のスキャン損失モデルがこのケースにほぼ当てはまり、その場合、更新周期の有効時定数（例えば、４ｋＨｚで２５０μｓ）を１．８で除した値である。このスキャン損失モデルは、応答時定数、ここでは１４０μｓごとに波長／絞り直径の０．２５倍のスキャンレートでスキャン損失が１ｄＢであることを示す。したがって、１ｄＢ損失における物体空間での回転速度は、出力絞り直径が２５ｍｍ（すなわち、約２の倍率）で、波長が１．０６４μｍであるとすると、毎秒０．０７６ラジアン（４．４°）である。
【００９３】
[0095]この損失は、回転速度に直線的に対応する。４．４°／ｓでは、２０スポット（８４０μラジアン）サッカード周期が１１ｍｓとなる。従来のＯＰＡがリセットするブロッキング時間は約２ｍｓであり、そのため、この間隔にわたって平均化される更なる損失も約１ｄＢである。ポイント設計が適切に問題に取り組むと思われる。
【００９４】
[0096]なお、「従来の」ＯＰＡは、全角度アドレス指定能力を有する必要がない。すなわち、従来のＯＰＡは、当該技術分野において良く知られるように「粗い」ＯＰＡとなり得る（ＭｃＭａｎａｍｏｎを再び参照されたい）。そのようなデバイスは、周期的態様で互いに接続される多くの電極を有することができる。すなわち、デバイスは、多くの同一のサブアレイから形成される。
【００９５】
[0097]本明細書中に記載されるデバイスは、一方では、僅かなピン配列を必要としつつ、良好な効率をもって更に大きな角度へとステアリングできる。その利用可能なステアリング角は、サブアレイ構造に内在する周期性要件により量子化され、したがって、位相パターンは、サブアレイ幅で周期的でなければならない。これは、その周期が±１０スポットＦＳＯＰＡステアリングレンジと一致するように選択されれば、大きな制限ではない。
【００９６】
[0098]サッカード動作は、多くの方法でシステム性能に影響を与える。以下では、２つの問題について考慮する。
【００９７】
[0099]２０スポットＦｏＲを伴うＦＳＯＰＡを有する１つの実施形態において、ＦＳＯＰＡが２０スポットＦｏＲのエッジに達すると、ＦＳＯＰＡがリセットし、「標準的な」大角度ＯＰＡは、２０スポットの角度変化を補償するように更新される。カルマン推定器は、更新が行われるときにビームを標的に戻すことができるように標的がリセット中にどこへ移動すべきだったかを予測するために使用することができる。リセット時間が短くなればなるほど、標的が予期されるカルマン不確実性を越えてコースを変えなかったという仮定が更に良好になる。２ｍｓのリセット時間の場合、これは、標的ダウンレンジ軌道に沿う動きに関して妥当な予想であるように思える。標的が２ｍｓで複数のスポットクロスレンジにわたって移動しそうである（あるいは、プラットフォームジッターを介して移動するように見える）かどうかが考慮される必要がある。
【００９８】
[00100]サッカード動作のリセットは、標的での出力を効果的に減少させる。ＡＰＰＬＥｔのアレイにおいて、リセット損失は、異なるＡＰＰＬＥｔに関して異なる時間に生じるようにリセットをプログラムすることによって軽減され得る。６個の絞りのアレイを伴う先の例において、これは、リセット出力減少を約１５％に減らす。
【００９９】
[00101]これらのサッカード欠点のいずれも、より速いリセットＯＰＡにより軽減できる。ここに記載されるシステムの場合、リセットをサポートする粗いＯＰＡは、１００よりもかなり少ないピン配列を有し、そのため、これらのデバイスは、ＤＦＬＣの使用の候補でもある。その場合、サッカード中のデッドタイムは単に１更新間隔にすぎない。
【０１００】
[00102]ＦＳＯＰＡステアリングシステムの開発は、本装置で使用されるＰＺＴファイバアクチュエータの排除を可能にする。
【０１０１】
[00103]本明細書中に記載されるＦＳＯＰＡは、更に高速であり（殆ど大きさの程度により）、また、既存の光学絞りで利用されるＰＺＴファイバアクチュエータが有するよりも４倍大きい角度範囲を有する。また、本明細書中に記載されるＦＳＯＰＡは、ＰＺＴアクチュエータと同じ作業、すなわち、適応光学素子のためのチップ／傾き補正を行うことができるが、それを更に高速で行うことができると同時に、必要とされる高速回転をサポートできる。したがって、ＡＰＰＬＥシステムは、２つのＦＳＯＰＡ（それぞれの寸法ごとに１つのＦＳＯＰＡが必要とされることに留意されたい）がＰＺＴファイバアクチュエータに取って代わる状態で、より良好に機能でき、また、ＰＺＴアクチュエータを排除するための他の現実的な理由が存在する。
【０１０２】
[00104]また、ＰＺＴファイバアクチュエータをＦＳＯＰＡと置き換えると、ＡＰＰＬＥシステムにおける最後の機械的な動きが排除され、それにより、真の非機械的な全電子システム、および、かなりロバストなシステムが得られる。
【０１０３】
[00105]ＦＳＯＰＡは、少なくとも従来のＯＰＡと同じ程度のロバスト性があり、これは、試験から、数百ｇの衝撃加速度まで使用できる。
【０１０４】
[00106]現在のＡＰＰＬＥシステムに伴う１つの想定し得る問題は、オーバーモード伝送用ファイバにおける高次モードの明らかな存在である。これらのモードは、ファイバが曲げられるときにファイバコア内で動き回り、相対位相を変化させ、および、出力ビームを変形させるとともに動き回らせ、また、その動きは、幾つかの用途にとって望ましい指向精度を満たすことができないようにすると思われる。
【０１０５】
[00107]ＰＺＴファイバアクチュエータをＦＳＯＰＡと置き換えることは、ファイバがもはや移動せずに強固に固定され、それにより、モード動作がおそらくかなり減少されることを意味する。
【０１０６】
[00108]固定された供給ポイントは、ＡＰＰＬＥシステムが自由空間レーザによって供給され得るようにする。すなわち、ＡＰＰＬＥはもはやファイバレーザに制限されない。ファイバレーザは高い効率を与えるが、他のレーザタイプは他の想定し得る利点を与え、新たなＡＰＰＬＥ構造によりトレードオフを行うことができる。一例として、Ｒａｙｔｈｅｏｎ  ＳＡＳによって開発された、いわゆる半導波型高アスペクト比コア（ＳＨＡＲＣ）レーザは、誘導ブリルアン散乱の軽減への代わりの道筋を与える。これは、有効コアサイズが、ＡＰＰＬＥで現在使用されるオーバーモード２５ミクロンコアファイバよりもかなり大きいからである。ＲＩＦＬ（数ＧＨｚでの位相変調）によってとられる現在のＳＢＳ軽減手法がＡＰＰＬＥ制御システムと適合しないことが分かれば、ＳＨＡＲＣは素早い解決策を与える。ＳＨＡＲＣは、コンパクトであり、効率が比較的高い（壁コンセントで２５％の効率が予測される）。また、ＳＨＡＲＣは、シングルモードファイバレ−ザにおいて予測される（３−５ｋＷ）よりも高い出力（１０ｋＷ）で動作する見込みを与え、このことは、ＡＰＰＬＥシステムの絞りごとの出力が、ファイバレーザではなくＡＰＰＬＥｔ構成要素の損傷レベルによって制限されることを意味する。おそらく人は、アレイを所望の出力レベルにスケーリングするために必要なＡＰＰＬＥｔの数を最小限に抑えるために、部分絞りごとに可能な限り高い出力を使用したいと考える。ＳＨＡＲＣレーザはその見込みを与え、また、新規なＡＰＰＬＥアーキテクチャは、ＳＨＡＲＣレーザの使用を実現可能にする。
【０１０７】
[00109]ＡＰＰＬＥを駆動させるために自由空間レーザを使用することは、高出力ＡＰＰＬＥシステムの利用可能性を加速させるために更に多くの成熟した固体レーザまたは更にはＨＥＬＬＡＤＳ型レーザを使用できることを意味する。部分絞りの開発時間または開発数がレーザ効率よりも重要なトレードオフである状況が存在する場合があり、その場合、本明細書中に記載される新規なアーキテクチャが有望な候補になるように思われる。
【０１０８】
[00110]次に、それぞれが液晶波長板（ＬＣＨＷＰ）により制御される偏光格子の積層体について説明する。
【０１０９】
[00111]１つの用途において、格子のこの積層体は、適応光通信位相固定素子（ＡＰＰＬＥ）プログラムで用いるのに適する構成要素を備える。
【０１１０】
[00112]光ビームの非機械的なステアリングを行うためのシステムの概説は、ＭｃＭａｎａｍｏｎらによって書かれてＩＥＥＥの議事録｜Ｖｏｌ．９７，Ｎｏ．６，２００９年６月６日において発表された「Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｐｈａｓｅｄ  Ａｒｒａｙ  Ｓｔｅｅｒｉｎｇ  ｆｏｒ  Ｎａｒｒｏｗ−ｂａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ」で与えられる（非特許文献２）。この論文は、ビームステアリングのための高性能短ピッチ偏光格子（ＰＧ）に関するＥｓｃｕｔｉおよび他の者による研究について論じている。
【０１１１】
[00113]本明細書中に開示されるものは、従来の１／２波長板−ＰＧアーキテクチャと比べて改善される１／２波長板−ＰＧアーキテクチャである。一般に、すべてのそのようなアーキテクチャはゾーンセレクタとしての機能を果たす。本明細書中において、「ゾーン」は、ゾーン充填（ｚｏｎｅーｆｉｌｌ）ＯＰＡサブシステムがゼロ偏角のために設定される場合にＰＧ積層体がその中心へ入力ビームを方向付ける出力角度空間の領域である。その後、ゾーン充填ＯＰＡサブシステムを適切にステアリングすることによってゾーン全体がアクセス可能にされる。
【０１１２】
[00114]前述したＭｃＭａｎａｍｏｎ文献（例えば、Ｅｓｃｕｔｉおよび他の者により記述される文献）に記載されるデバイスは、名目上、光軸がデバイスの平面内にあるが絶えず変化する面内方向に向けられる１／２波長板である。この回転のピッチＰ、すなわち、全回転が行われる面内距離は、それらが円偏光で照射されるときの回折角を規定する。出力偏光はどこでも同じである（入力光とは反対側）が、配向の変化の面内方向に沿って連続的に変わる位相シフトが存在するがために、回折が生じる。なお、様々な理論的取り扱いがピッチを異なって規定する。これは、例えば、光軸が１８０°回転までしか規定されず、ピッチの他の想定し得る規定が我々がここで使用する規定の半分だからである。ここでの取り扱いは、全回転に関するＰの我々の規定とつじつまが合う。
【０１１３】
[00115]配向が変化する方向と表面法線とを含む面内において角度θ１で入射する光は、以下のように、反対の円偏光へ変換されて新たな方向θ2にステアリングされる。
ｓｉｎθ2＝ｓｉｎθ1＋Ｍ（２λ／Ｐ）    方程式（１）
ここで、
Ｍは、入力光の正規化ストークスベクトルのＳ３成分の値であり、ＲＣＰまたはＬＣＰ光のそれぞれにおいて＋１または−１のいずれかの値を有する。
【０１１４】
[00116]小角度概算において、この方程式は、入力がＬＣＰまたはＲＣＰとして選択されれば、出力光がその初期の方向から±２λ／Ｐだけそれぞれステアリングされることを示す。切り換え可能な（例えば、液晶）１／２波長板（ＳＨＷＰ）と交互に入れ替わるそのようなＰＧデバイスの積層体は、ＭｃＭａｎａｍｏｎによって記述されており、潜在的に低損失の大角度離散的ビームステア、すなわち、２つのそのような積層体が組み合わされる場合に二次元で機能するゾーンセレクタを構成する。更に、そのようなデバイスのバイナリツリーについて論じられ、各デバイスは、ピッチの（ほぼ）１／２、したがって、ステアリング角の２倍をあけて後続される。また、各ＰＧデバイスが「能動的」である、すなわち、各ＰＧデバイスが実際に定まった様々な配向を有する液晶層であるそのような積層体も論じられ、この場合、大きい電圧の印加が、分子を断続的に立たせて、効果的な複屈折を排除し、したがって、「受動」ＰＧによりサポートされるプラスおよびマイナスの偏向状態に加えてゼロ偏向状態を与える。なお、絞りの出力端でのそのような偏光切り換えサブシステムの使用は、ＰＧ積層体中の様々な切り換え可能なデバイスの設定によって決まる出力偏光状態をもたらす。マルチ絞りアレイにおいて、遠視野における出力のコヒーレント結合は、すべてのエミッタがほぼ同じ偏光を発することを必要とする。したがって、そのようなアーキテクチャの標準的な部分は、偏光を所望の状態に設定するために使用される最後の切り換え可能な波長板である。
【０１１５】
[00117]従来技術の文献は、偏角ステージの真のバイナリツリーを提案しない。１つの従来技術の文献において、各ステージは、０、＋Ｓ、および、−Ｓの偏向を与え、また、Ｓは、１つのステージから次のステージへとバイナリ態様で変化する。例えば、２°の分解能をもって±３０°範囲をカバーするため、Ｓ＝それぞれ２°、４°、８°、および、１６°である４つのステージが必要とされる。＋３０°の角度は、２°＋４°＋８°＋１６°として与えられる。−２°の角度は、＋１６°の代わりに−１６°を使用して同じ態様で、あるいは、より簡単には、第１のステージに関して−２°としておよびすべての他のステージに関してゼロとして得られる。２つのステージタイプが記載される。能動ＰＧが使用される場合、１つのステージは、その後に単一のＰＧが続くＳＨＷＰから成る。受動ＰＧが使用される場合には、１つのステージは、偏向Ｓ／２の２つのＰＧから成り、各ＰＧがＳＨＷＰによって先行される。
【０１１６】
[00118]なお、各ステージは、２つの能動デバイス、２つのＳＨＷＰまたは１つのＳＨＷＰのいずれか、および能動ＰＧを含むが、２つの入力制御により真のバイナリケースで利用できる４つの出力状態ではなく３つの出力状態のみを達成する。ＳＨＷＰの状態に応じて、２つの偏向は、＋Ｓをもたらす（＋＋）、−Ｓをもたらす（−−）、または、ゼロをもたらす（＋−）もしくは（−＋）であってもよい。したがって、受動アーキテクチャは８個のＰＧを必要とし、能動アーキテクチャは４つのＰＧを必要とする。いずれの場合にも、全偏角の多くに関して制御設定（ＳＨＷＰまたは能動ＰＧ）の複数の組が存在する。したがって、以上を考慮すると、従来技術のシステムに開示されるアーキテクチャが、かなりの光学損失源であり制御を複雑にする能動的な構成要素を無駄にしているのが分かる。
【０１１７】
[00119]一方、１°、２°、４°、８°、および、１６°の偏向Ｓを有する単一の受動ＰＧをその後に伴うＳＨＷＰをそれぞれが含む５つのステージを考慮されたい。これは、２°の分解能をもって±３１°のＦｏＲをサポートする（ゼロ偏向状態を利用できない）。例えば、１°は、１６°の偏向を除きすべてのＰＧにおいて−Ｓを選択することにより与えられる。次の利用可能な角度＋３°は（＋１°−２°−４°−８°＋１６°）として与えられる。したがって、受動ＰＧのケースにおいて、前述した新規な手法は、前述した文献に記載される従来技術の手法で提案されるのと同じ分解能に関してＰＧの数が約半分で済む。
【０１１８】
[00120]ここで、能動ＰＧのケースについて考えると、１°、３°、９°および２７°の偏向が使用される場合には、１°の分解能の向上を達成しつつ、従来システムで使用される同じ数のＰＧを用いて、±４０°をカバーすることができる。＋４０°を得るために、すべてのＰＧが＋Ｓに設定される。最初を除いてすべてのＰＧをゼロにすることにより（すなわち、偏向を排除するようにＰＧに電圧を印加することにより）１度（１°）が得られる。
【０１１９】
[00121]３°；４°＝３°＋１°；５°＝９°−３°−１°；等を除くすべてに関して２°＝３°−１°；３°＝ゼロを得る。従来技術は、単一面内でのビーム偏向に関してそのような「ターナリ」積層体（各格子は、以前のものより３倍偏向する）を開示し、あるいは、２つの面内での偏向に関して直列の２つのそのようなシステム、すなわち、完全二次元ステアリングを開示する。しかし、出力端付近に大角度ＰＧのすべてを伴うターナリツリーを配置することは教示されておらず、知る限りにおいて不可能でもある。つまり、必要とされる偏光状態は、所望のゾーンの一部に関して常に対立する。そのような角度増大（したがって、二次元ステアリングにおいて交互的な）配置は、「ウォークオフ」、すなわち、光学系の中心線からのビーム中心線の逸脱により引き起こされるビーム出力の損失を制御するために望ましい。この交互配置が行われなければ、システム絞りがかなり大きくされなければならず、あるいは、少なくとも有用となるように大きい角度（例えば、±３０°のＦｏＲ）にわたるステアリングにおいて大きな損失が許容されなければならない。いずれの代替案も魅力的ではない。しかし、ターナリ能動ＰＧケースに関しては、更なる構成要素、例えばより多くのＳＨＷＰを付加することなく２つのステアリング方向のそれぞれで格子を交互配置する手段は知られていない。本明細書に教示されて記載されるような真のバイナリツリーは、この制限に見舞われない。
【０１２０】
[00122]前述したように、角度が２倍または３倍変化するにつれて、格子ピッチは、１／２倍または１／３倍だけほぼ逆に変化する。好ましい実施形態は、角度を２倍または３倍だけ正確に変化させるのではなく、格子ピッチを１／２倍または１／３倍だけそれぞれ正確に変化させることである。これにより、ゾーン中心が均一に離間され、これは、ゾーン充填ＯＰＡサブシステムのステアリング効率が過大なゾーンで低下されないようにするのに役立つ。なお、格子偏角は、法線入射で格子に衝突するビームを格子が偏向させる角度として規定され、実際の偏角は、前記方程式１にしたがって入射角に伴って変化する。その方程式は、それが、加法的であって角度それ自体ではない偏角の正弦であることを示す。一例として、公称−３°（見込まれた偏向｛−１６°，＋８°，＋４°，＋２°，−１°｝）と−１°（｛−１６°，＋８°，＋４°，＋２°，＋１°｝）との間およびその後の−１°と＋１°（｛＋１６°，−８°，−４°，−２°，−１°｝）との間の２つの連続する移行部を考慮されたい。方程式１を使用して、格子偏角が正確に公称値であると仮定すると、我々は、３つの実際の出力角が−２．８２３６°、−０．８２２６°、および、＋０．８２２６°であることを見出し、これは、第１の移行部（２．００１０°）において第２の移行部（１．６４５１°）よりもかなり大きいステップを示す。一方、１°格子が正確に１°となるように設計されるとともに、他の格子がａｒｃｓｉｎ（Ｎ×ｓｉｎ（１°））として設計されれば、すなわち、ピッチが１／２倍だけ正確に変化すれば、公称１６°の格子は実際にａｒｃｓｉｎ（１６×ｓｉｎ（１°））＝１６．２１４８°となる。方程式１により計算される３つの角度は、−３．００１２°、−１．００００°、および、＋１．００００°であることが分かり、これは望ましい均一なゾーン間隔を呈する。
【０１２１】
[00123]ＰＧに対する光の入射外角αが増大するにつれて、デバイスの各領域の遅延は、所定の角度の１／２波長板である理想的な挙動から逸脱する。特に、遅延Ｒは、入射面と光軸を含む面との間の角度βに依存して公称（法線入射）遅延Ｒ0とは異なる。
【０１２２】
[00124]依存度は、おおよそ以下の式によって与えられる。
Ｒ≒Ｒ0（１＋（αi2／２）ｃｏｓ２β    方程式（１）
【０１２３】
[00125]αiは入射内角ａｒｃｓｉｎ（［ｓｉｎα］／ｎ）≒α／ｎであり、ｎは屈折率である。なお、通常の屈折率が意味されているのかあるいは異常な屈折率が意味されているのかどうかの問題は、この近似の性質によって議論の余地があり、全体の計算は、実際には、Ｒｓｏｆｔなどの解析パッケージを使用して達成されてもよい「四波」ベクトル計算を必要とする。この変化から生じる損失は、２つの効果が存在することに気付くことによって推定される。第１に、遅延が不正確であるため、出力光は、一般に、楕円形であり、したがって、平均偏光へ不十分につながる（また、それは、法線入射で起こるのと同じ、すなわち、円形であると仮定される）。第２に、位相シフトもエラー状態となる。
【０１２４】
[00126]第１の効果は、小誤差近似（ｓｍａｌｌ−ｅｒｒｏｒ  ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ）を使用して処理される。ポアンカレ球上で角距離Ｄによって分けられる２つの偏光状態間の分数乗結合（ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ  ｐｏｗｅｒ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ）１−Ｌp（ここでは、損失Ｌpに関して規定される）は、ｃｏｓ2（Ｄ／２）≒１−Ｄ2／４であることが良く知られている。遅延Ｒ0は、１／２波、すなわち、πラジアンであり、名目上、出現する反対の円偏光へ向かう球の周囲の途中で最初の円偏光を伝える。したがって、Ｄ＝Ｒ−Ｒ0であることが分かり、最終的に以下のようになる。
Ｌp＝Ｄ2／４＝１／４（π＋（αi2／２）ｃｏｓ２β）2
＝（π2α4／１６ｎ4）ｃｏｓ2２β    方程式（２）
【０１２５】
[00127]ＰＧ全体にわたって、すなわち、βの均一な分布にわたって平均化すると、損失の概算値を以下のように表すことができ、
Ｌp＝π2α4／３２ｎ4        方程式（３）
これは、４０°のαに関して１％であり（ｎ＝１．５であると仮定する）、それは、非常に小さな効果である。
【０１２６】
[00128]位相誤差から生じる第２の損失メカニズムは、関連する位相が、偏光が伝えられる円弧によって範囲が定められるポアンカレ球上の立体角に関連付けられるベリー位相であることに気付くことによって近似され得る。したがって、位相誤差φは、最大で遅延誤差Ｒ−Ｒ0の（π／２）倍である。通常のストレール議論を適用すると、すなわち、位相依存損失がＬφ＝φ2であると解釈すると、以下の方程式（４）が得られる。φ
Ｌφ＝φ2＝（（π2α2／２）ｃｏｓ２β）2）
＝π4α4／３２ｎ4        方程式（４）
【０１２７】
[00129]これは、偏光損失Ｌpよりもπ2倍大きい。これは、伝送状態の軌跡に関して考慮すべき幾つかの事項のため、過大評価となる場合がある。いずれにせよ、損失は、適応光通信位相固定素子（ＡＰＰＬＥ）プログラムなどのプログラムの必要性を優に上回る入射角の場合であってもかなり小さい。したがって、本明細書中に記載される概念、構造、および、技術は、広角ビームステアリング用途において角度調整されるホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）の代わりに適すると考えられる。
【０１２８】
[00130]次に、有限厚のデバイスにおける光線偏向による格子のスミアの効果について論じる。ＰＧは何らかの有限厚Ｔを有する。入射角度αの光線は、法線に対して内角αiでデバイスを横切る。Ｘを厚さとし、Ｙをビームステアリングの横断方向とする座標を選択する。ＰＧの要素を形成するＨＷＰの局所的な配向は、厚さにわたって一定である、すなわち、Ｘに関係ないと想定される。この配向βは、β＝２πｙ／Ｐであるため、Ｙに沿って変化することから、光線は、それがデバイスを通過する際に、所定範囲の配向値Δβ＝２πＴ／Ｐｔａｎαiをとるのが分かる。方程式は、これが出力光の位相および偏光にどのような影響を及ぼすのかを示す。
【０１２９】
[00131]一次効果は、厚さを２つの層へ分割することによってモデリングすることができる。各層の配向は、その層における平均配向であると解釈される。したがって、ＨＷＰは、配向−Δβ／４の１／４波長板としてモデリングされ、この配向から離れると、＋Δβ／４に対応する配向エラーを有する１／４波長板が後続するようになっている。この積層体のポアンカレ球上の一次可視化は、結果として生じる出力偏光状態があたかもΔβの遅延誤差を経るかのように所望の状態から離れてシフトされることを示す。先の方程式２の場合と同様に、前述のように小角度近似を使用して、ｔａｎαiをα／ｎと置き換えると、損失Ｄ2／４＝Δβ2／４、すなわち、以下の方程式（５）によって与えられる「傾斜損失」Ｌ0が予期される。
Ｌ0＝Δβ2／４＝１／４（（２πＴα）／（ｎＰ））2
＝（（παＴΔθ）／（２λｎ））2
＝（（παΔθ）／（４ｎΔｎ））2            方程式（５）
【０１３０】
[00132]３番目の式では、Δθ≒ｓｉｎθ2−ｓｉｎθ1に関してＰが方程式１からのその等価物と置き換えられる。４番目の式では、Ｔが、複屈折Δｎの最適に薄いデバイスに適するλ／（２Δｎ）と置き換えられる。±４０°動眼視野を伴うＰＧに基づくシステムを設計する場合には、複屈折が約０．３５（ＨＷＰ層に関してＴ／λ＝１．５）であると仮定すると、最後のＰＧがα＝Δθ＝２０°（すなわち、０．３５ラジアン）および約３％のＬ0を有する。
【０１３１】
[00133]次に、最小システム損失のためのアーキテクチャ選択について論じる。ゾーン選択のためのＰＧの積層がゾーン充填のための一対のＯＰＡによって先行されるシステムを考慮されたい。
【０１３２】
[00134]小さいステアリング角でＯＰＡを動作させる場合、ステアリング損失がステアリング角θSにおいてほぼ線形であると仮定すると、ＯＰＡ損失はＬS＝ＧθSであると想定される。同様に、ＰＧのＮ個のステージのそれぞれが損失ＬGを有すると想定し得る。最小ＰＧステアリング角はθ0である。システム動眼視野Ｆは所定値と解釈され、Ｎは、全損失を減少させるあるいは理想的には最小限に抑えるように選択されるＮである。以下の計算は１Ｄステアリングに関するものであり、全２Ｇカバレッジにおいては倍の損失（ｄＢ）である。
【０１３３】
バイナリステージアーキテクチャ（受動ＰＧ）
[00135]ゾーンサイズは２θ0であり、最大ＯＰＡステアリング角はθ0である。Ｎ個のステージの場合、ゾーンの数は２N−１であり、Ｆは、ゾーンサイズ×このゾーン数＋それぞれの端のゾーン幅の半分、すなわち、２N+1θ0である。Ｎは、全損失ＮＬG＋Ｇθ0＝ＮＬG＋ＧＦ／２N+1を減少させるあるいは理想的には最小限に抑えるように選択されてもよい。
【０１３４】
ターナリステージアーキテクチャ（能動ＰＧ）
[00136]ゾーンサイズはθ0であり、最大ＯＰＡステアリング角はθ0／２である。Ｎ個のステージの場合、ゾーンの数は３N−１であり、Ｆは、ゾーンサイズ×このゾーン数＋それぞれの端のゾーン幅の半分、すなわち、３Nθ0である。Ｎは、全損失ＮＬG＋Ｇθ0／２＝ＮＬG＋ＧＦ／（２×３N）を減少させるあるいは理想的には最小限に抑えるように選択されてもよい。
【０１３５】
[00137]以下の表は、異なる偏光格子アーキテクチャ間で行われるべきトレードオフをリストアップしている。想定し得る格子ツリーレイアウトは、バイナリ受動、ターナリ能動、および、バイナリ能動である。最小損失アーキテクチャが望ましい用途では、バイナリ受動格子アーキテクチャが選択される。
【表１】
2013545124.tif 000003
【０１３６】
[00138]上記表においては、以下が仮定される。すなわち、（１）ＯＰＡゾーン充填範囲：物体空間内で０．２５°、（２）ＦｏＲ公称±３０°ＡｚおよびＥｌ；（３）バイナリツリー：８ステージ、２8＝２５６個の状態（実際のＦｏＲが±３２°であることを意味する）；（４）ターナリツリー：５ステージ、３5＝２４３個の状態（実際のＦｏＲが±３０．３７５°であることを意味する）；（５）ＬＣＷＰまたは能動ＰＧ厚さ：３ｍｍ；（６）受動ＰＧ厚さ：０．５ｍｍおよびＬＣＷＰに組み込まれる、厚さは＜＜０．５ｍｍであり、０．５ｍｍは随意的なカバーガラスを可能にする；（７）格子角度は、ウォークオフを許容範囲内に維持するために入力端から出力端へと増大する。
【０１３７】
[00139]以上を考慮すると、バイナリ受動格子は、最小損失アーキテクチャが必要とされる用途のために選択される。
【０１３８】
[00140]この特許の主題である様々な概念、構造、および、技術を例示するのに役立つ好ましい実施形態について説明してきたが、当業者であれば分かるように、これらの概念、構造、および、技術を組み入れる他の実施形態が使用されてもよい。したがって、特許の範囲は、前述した実施形態に限定されるべきではなく、むしろ、以下の請求項の思想および範囲によってのみ限定されるべきものである。
【図１】
2013545124.tif 000004
【図１Ａ】
2013545124.tif 000005
【図２】
2013545124.tif 000006
【図３】
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【国際調査報告】
2013545124.tif 000008
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