(57)【要約】  本発明による光タップ遅延線装置は、光信号のスペクトル成分を空間的に分解する、すなわち光信号の波長内容をチャネル化またはスペクトル分析する方法および装置である。本装置は、タップ付光遅延回路に基づいていて、多数の関連する光信号処理機能を可能にする。【特許請求の範囲】
【請求項１】
出射面を有し、視準された入射光束を光束路へ誘導すべく構成された光セルであって、前記視準された入射光束が直径を有し、前記光束路が前記出射面において空間的に分布され且つ時間的に分離された複数のタップを確立する光セルと、
前記セル内の光束発散を制御する光束発散コントローラと、を含み、
前記複数の出射タップの各々が、前記入射光束の直径を超えない直径を有する装置。
【請求項２】
前記光束発散コントローラが、前記光束が少なくとも１回透過するレンズを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記光束発散コントローラが、前記光束が複数回透過するレンズを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記光束発散コントローラが、前記出射タップの各々がほぼ同一の直径を有するように前記光束発散を制御すべく構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記光束発散コントローラが、前記出射タップの各々が前記入射光束の直径にほぼ等しい直径を有するように前記光束発散を制御すべく構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記光束発散コントローラが、前記複数の出射タップが互いに平行であるように前記光束発散を制御すべく構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記光束発散コントローラが、前記複数の出射タップの各々がほぼ同一のウエストサイズを有し、且つ各々のウエストが共通の平面にあるように前記光束発散を制御すべく構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記光束路が１センチメートルを下回らない、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記光束路が１メートルを下回らない、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記光束路が２０メートルを下回らない、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記光束発散コントローラが、前記装置が約１０ＧＨｚより低い自由スペクトル領域を備えるように前記光束発散を制御すべく構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記光束発散コントローラが、前記装置が約５ＧＨｚ〜約１０ＧＨｚの間に自由スペクトル領域を備えるように前記光束発散を制御すべく構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記光束発散コントローラが、前記装置が約１００ｋＨｚのスペクトル分解能ρ、約１００，０００の時間帯域幅積（ＦＳＲ／ρ）および約１０マイクロ秒のアパーチャ時間（１／ρ）を有するように前記光束発散を制御すべく構成されていて、ＦＳＲは自由スペクトル領域を表わす、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
出射面を有する光セルを提供するステップと、
視準された入射光束を光束路へ誘導するステップ、前記視準された入射光束が直径を有し、前記光束路が前記出射面において空間的に分布され且つ時間的に分離された複数のタップを確立するステップと、
前記セル内の光束発散を制御するステップと、を含み
前記複数の出射タップの各々が、前記入射光束の直径を超えない直径を有する方法。
【請求項１５】
前記光束発散を制御するステップが、前記光束が少なくとも１回透過するレンズを提供する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記光束発散を制御するステップが、前記光束が複数回透過するレンズを提供する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記光束発散を制御するステップが、前記出射タップの各々がほぼ同一の直径を有するように前記光束発散を制御するステップを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記光束発散を制御するステップが、前記出射タップの各々が前記入射光束の直径にほぼ等しい直径を有するように前記光束発散を制御するステップを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記光束発散を制御するステップが、前記複数の出射タップが互いに平行であるように前記光束発散を制御するステップを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
前記光束発散を制御するステップが、前記複数の出射タップの各々がほぼ同一のウエストサイズを有し、且つ各々のウエストが共通の平面にあるように前記光束発散を制御するステップを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２１】
前記光束路が１センチメートルを下回らない、請求項１４に記載の方法。
【請求項２２】
前記光束路が１メートルを下回らない、請求項１４に記載の方法。
【請求項２３】
前記光束路が２０メートルを下回らない、請求項１４に記載の方法。
【請求項２４】
前記光束発散を制御するステップが、前記装置が約１０ＧＨｚより低い自由スペクトル領域を備えるように前記光束発散を制御するステップを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２５】
前記光束発散を制御するステップが、前記装置が約５ＧＨｚ〜約１０ＧＨｚの間に自由スペクトル領域を備えるように前記光束発散を制御するステップを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２６】
前記光束発散を制御するステップが、前記装置が約１００ｋＨｚのスペクトル分解能ρ、約１００，０００の時間帯域幅積（ＦＳＲ／ρ）および約１０マイクロ秒のアパーチャ時間（１／ρ）を有するように前記光束発散を制御すべく構成されていて、ＦＳＲは自由スペクトル領域を表わす、請求項１４に記載の方法。
【請求項２７】
前記光束発散コントローラが、前記出射タップの各々が前記入射光束の直径の１．１倍を超えない直径を有するように前記光束発散を制御すべく構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項２８】
前記光束発散コントローラが、前記出射タップの各々が前記入射光束の直径の１．５倍を超えない直径を有するように前記光束発散を制御すべく構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項２９】
前記光束発散を制御するステップが、前記出射タップの各々が前記入射光束の直径の１．１倍を超えない直径を有するように前記光束発散を制御するステップを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項３０】
前記光束発散を制御するステップが、前記出射タップの各々が前記入射光束の直径の１．５倍を超えない直径を有するように前記光束発散を制御するステップを含む、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００５年２月３日出願の米国仮出願第６０／６４９，０８７号を優先権主張し、その内容を本明細書に引用している。
【０００２】
本発明は光信号処理に関する。より具体的には、本発明は高分解能光スペクトル分析またはチャネル化を可能にする、且つ関連信号処理動作を可能にする方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
光通信および検出技術の広範な普及により、光（または光搬送波）から信号を検出し、また、信号を光（または光搬送波）に乗せる新規且つ改良された装置を発展させると共にその利便性を享受してきた。改良された光学系の性能は、光信号に固有の利点（例：大きさ、低損失、帯域幅、電気的干渉に対する堅牢性等）と共に、光信号処理におけるニーズおよび利点が自然に進展している。処理される信号の種類はデジタルでもアナログでもよく、音声、ビデオ、画像、データ、レーダーその他の信号等、各種の情報を含んでいてよく、各種のデータ速度、帯域幅、プロトコルまたは光変調の種類が存在していてよい。ここで、信号処理は従来の信号のフィルタリング、多重化、符号化、ルーティング、解析、相関処理、合成処理を含むがこれに限定されない。光形式の信号が主流となる中、これらの信号処理機能を実現するために、通常は電気その他の技術を利用し、光信号の処理に容易に利用できる新たな方法、技術、および装置が必要である。
【０００４】
通常、信号処理機能は、何らかの形式のスペクトル（周波数に基づく）分離、合成、またはその両方に依存する。光学系は多くの場合可逆性であるため、本明細書における議論は主として信号のスペクトル分離（またはスペクトル分析）に限定され、スペクトルの合成または再合成の扱いは、光信号移動の方向を反転させることにより得られる。情報をスペクトル分離（あるいは分析またはチャネル化）する仕方は、基本性能パラメータおよび処理機能の実現にとって極めて重大である。スペクトルアナライザの必須パラメータは、高いスループット効率（または低損失）、低漏話（またはチャネル間の明確な分離）、自由なスペクトル範囲、狭い（または微細な）周波数分解能、周波数分解能対周波数範囲の比率（当分野で時間帯域幅積としても知られる）、周波数に対する高線形性（周波数から独立した分析）、多数のタップ、多数のチャネル、大きさ、製造性、および内部中間信号に対する厳密な制御である。これらのパラメータの多くは相互に密接に関係している。より高水準のアプリケーションに使用されるアナライザの重要な基本機能は、スペクトル的または時間的に分解された信号へのアクセスが容易で、且つ光信号が他の光学系と容易に相互作用できる点である。本発明は従来技術に比べ、性能パラメータおよび信号へのアクセスの容易さを大幅に向上させる。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６，５２５，８８９号明細書
【特許文献２】米国特許第６，３８８，８１５号明細書
【特許文献３】米国特許第６，２６６，１７６号明細書
【０００６】
従来技術において、光信号のスペクトル分析またはチャネル化を実行する各種の光素子がある。スペクトルアナライザは通常、信号をスペクトル部分に分離または分割して、処理、検出または再合成に利用可能にする。チャネル化装置は通常、入射周波数帯域を特定のチャネルに分離する、すなわち、最初に分析し、次いで信号を複数の出力周波数帯域に再合成する。これらの装置は、それら固有の設計に応じて、様々なレベルでスペクトル分解能、漏話、および信号処理への応用性を実現する。このような装置の選択について以下に述べる。
【０００７】
ファブリペロー干渉計
ファブリペロー干渉計は、光をその成分周波数、または同等であるが、の成分波長に分離する公知の装置である。図１４に、従来技術のファブリペロー干渉計の例を示す。図に示す装置は、２個の鏡Ｍ1、Ｍ2を含んでいる。２個の鏡Ｍ1、Ｍ2の各々は、部分反射鏡である。鏡Ｍ1、Ｍ2は通常、空間的に分離されている。あるいは、ファブリペロー干渉計装置は、透明な金属板の両面を部分的に反射する材料でコーティングして製造してもよい。
【０００８】
スペクトル的に広帯域な光源からの光が平面Ｓ1に入射する。角度θおよび波長λの光線が、鏡Ｍ1とＭ2の間で複数回にわたり反射される。光線は、出射面Ｓ2の円形軌跡Ｐ2に沿って構成的に干渉する。特定の角度θおよび特定の波長λを関係する構成的干渉のための条件は次式で与えられる。
（数１）
２ｄｃｏｓθ＝ｍλ、
ここに、ｄは部分的に反射する面の乖離、ｍは順序パラメータとして知られる整数である。ファブリペロー干渉計は、複数の光束反射および干渉を用いることにより入射光の成分周波数を分離する。上式から、系の出射光パターン、すなわち拡散入射光束の場合干渉縞が一組の同心円環であることがわかる。入射光および各整数ｍの波長成分の各々の組み合わせに対して1個の環が存在する。任意の与えられた環において、光の周波数が増大するにつれて環の直径が増大する。
【０００９】
ファブリペロー干渉計は、効率の高い光スループットを得ることが困難なため、特定のスペクトル分析やチャネル化アプリケーションには適していない。入射光束が発散的、例えば光ファイバからの直接出射である場合、与えられた波長の出射パターンは一組の環である。複数の波長により同心環の入れ子になった組が生じる。この光を効率的に集めて、複数の検出器の位置に集中させたり、または複数の出射ファイバに連結させたりすることは、特に干渉計により生じた波長成分の分離を維持しながら行なうのは困難である。入射光束が視準されている、例えば光ファイバの視準された出射である場合、光束は狭い角度の範囲に限定されて対象の各波長について１次出射（例えばｍ＝＋１）のみを生じるようにできる。この視準により、出射光を多数の検出器位置または光ファイバに集中させることが容易になるが、必然的に高損失が伴う。スループット効率は１／Ｎを超えることはできない。ここに、Ｎは光学系出射アパーチャの分解可能な波長成分の数である。すなわち、単一波長の入射の場合、入射強度の１／Νしか共鳴せず、最大スループットとなる。入射の他の（Ｎ−ｌ）／Ｎ成分は、ファブリペロー干渉計から効率的に反射されて入射へ戻る。入射光束が良好に視準されていて、単一（または狭帯域の）波長だけが選択または分離されている場合、ファブリペロー干渉計は最も高いスループットを有する。また、ファブリペロー干渉計により生じた光の縞の減衰（または「裾」）が比較的大きく、これにより装置の漏話およびチャネル分離が制限される。
【００１０】
ＯＴＤＬチャネル化装置
図１５に、バガヴァトゥラ（Ｂｈａｇａｖａｔｕｌａ）による米国特許第６，１１１，６７４号に開示されているように、従来技術の平面導波路と一体化された光マルチプレクサおよびデマルチプレクサ装置の例を示す。本装置では、部分的な反射層および透過層が交代するファブリペロー薄膜スタックを用いて多波長入射信号を非多重化またはチャネル化する。角度的に発散した波長は、「光路長差分発生器」で生成され、集束レンズにより導波管の扇形の出射アレイの各々に連結される。本装置は、平面またはハイブリッドな一体化された光学（ＩＯ）構造のいずれかとして製造できる。この種の一体化光デマルチプレクサ／マルチプレクサの短所は、薄膜波長分離素子に伴う本質的な高い損失であり、このため効率的にチャネル化できるチャネル数が制限される。また、スペクトル分解能は平面またはハイブリッドＩＯ構造で実現できる比較的短い光路長により制限される。
【００１１】
光ファイバ利用のＯＴＤＬスペクトルアナライザ
ラナリ（Ｒａｎａｌｌｉ）によるＷＯ０１／９３４６５Ａｌおよび図２において、本明細書で図１６として複製している光ファイバ利用光タップ遅延線スペクトルアナライザを開示する。出射ファイバ線７６は、隣接するファイバの長さが約１センチメートル（ｃｍ）異なるように切断されており、これは隣接する２本の出射ファイバ線上の２個の光信号の間での約５０ピコ秒（ｐｓｅｃ）の相対遅延（Ｔ）に対応する。隣接する出射間のこの遅延は、回析アレイ６８のサンプリング間隔を決定する。サンプリング間隔の逆数（すなわち１／Ｔ）は、アレイ６８が提供する自由スペクトル領域を与える。本実施形態において、自由スペクトル領域は約２０ＧＨｚである。ナイキストサンプリング定理を満たし、且つエイリアシングを避けるべく、信号の光帯域幅は、自由スペクトル領域の半分未満でなければならない。従って、光信号の帯域幅は約１０ＧＨｚ未満でなければならない。アレイが提供するスペクトル分解能は、光信号を能率的に連結するタップ数又は出射ファイバ線７６の数で自由スペクトル領域を割ったものに等しい。回析型のアレイ７６が８個の時間遅延出射を生じるため、得られるスペクトル分解能は約２．５ＧＨｚである。この分解能は、本発明の好適な実施形態により得られる分解能より極めて低い。また、適切な動作のためには、環境から独立していて、極めて正確なファイバ長が必要とされるため、当該装置の製造および安定化が困難な場合がある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、その好適な実施形態において、入射光信号のスペクトル成分、すなわち周波数または波長成分を空間的に分離または分解する方法および装置を提供する。従って入射光信号のスペクトル分析が実現され、空間的に分離されたスペクトルが空間内の平面に生成され、そこで更に検出、測定、または処理を行なうことができる。また、特定の光タップ遅延線アーキテクチャにより、極めて微細な周波数分解能でスペクトルを生成できる。光タップ遅延線アーキテクチャを用いて、スペクトル分析に加え、フィルタリング、結合、合成、および相関計算等、他の光信号処理機能を実装することができる。
【００１３】
添付の図面を参照しつつ、本発明のいくつか好適な実施形態の詳細な記述を行なう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下の詳細記述は、本発明の光タップ遅延線（ＯＴＤＬ）を実現する上で現在考案されている最良のモードに関する。この記述は限定的に解釈すべきではなく、単に本発明の一般原則を示す目的でなされたものである。本発明の範囲は、添付の請求により最適に定義される。
【００１５】
図５に本発明によるＯＴＤＬ装置の好適な実施形態の例を示す。本図は、一端で２面鏡対（５０３Ａ、５０３Ｂ）により形成された光セルまたはキャビティ（５００）、レンズ（５０５）、反対側の端にある出力カプラ鏡（５１１）、およびこの場合プリズムである入力カプラ素子（５１３）を示す。２面鏡対の頂点からレンズまでの距離は名目的にレンズの焦点距離ｆ（５０４）に等しく、またレンズから出力カプラ鏡への距離もまた名目的にｆ（５０７）に等しい。従って合計のセル長さＬ（５０６）は名目的に２ｆに等しい。２面鏡は反射度が高いコーティング材でコーティングされていて、それらの間の角度は９０度から若干の角度δθだけ異なっている。２面鏡対の頂点（５０２に位置する平面位置）は、レンズの後焦点面（ＢＦＰ、５０１）から若干の距離δｚだけずれている。出力カプラ鏡は、本明細書でキャビティ対向面（ＣＦＳ）と呼ぶ第１の面（５０９）を有し、好適には、勾配反射コーティング材でコーティングされている。すなわち。プリズムに最も近い端で反射率が最も高く（通常はほぼ１００％）、反対側の端へ向かって段階的に低い値へ下がって行く。勾配反射率を図１８に１８１１、１８２１、または１８３１で示す。あるいは、ＣＦＳは一様な反射率のコーティング材でコーティングされていてもよい。出力カプラ鏡は出口対向面（ＥＦＳ）と呼ばれる第２の表面を有し、好適には反射防止コーティング材（５１２）でコーティングされている。ＣＦＳは、好適には、セルの内側に向いており、レンズの前方焦点面（ＦＦＰ、５１０）に一致している。薄い出力カプラ鏡（例：薄膜ビームスプリッタ）の場合、ＣＦＳおよびＥＦＳは同一材料の対向面であってよい。
【００１６】
図６に、ＯＴＤＬセル（５００）を通る光束の主光線の１本の可能な経路の例を示す。光束は、セルを透過して多様な往復移動を行なう。光束エネルギーのサンプルは、出力カプラ鏡から反射する毎にタップされて出射ビームレットまたはタップを生成する。本例では、第１のタップ（６１５）が入力カプラ（５１３）の近くに位置し、最後のタップ（６１６）が出力カプラ鏡（５１１）の反対側に位置している。出力カプラのアパーチャ全体にわたり空間的に発散する出射ビームレットの集合体が、様々な時間遅延での入射光束のサンプルを反射している。隣接タップ間の空間的乖離をΔ（６１２）で表わすことができる。隣接タップまたはサンプル間の時間的乖離（時間遅延）はセルの往復移動時間に等しく、τで表わす。往復移動時間は、光が出力カプラ鏡ＣＦＳ（５０９）を出て、光軸（５０８）と交差し、出力カプラ鏡ＣＦＳ（５０９）へ戻る移動に要する時間である。基本的に、２面鏡（５０３Ａ、５０３Ｂ）は、共にＢＦＰ（５０１）上にある位置Ｆ1（６０１）およびＦ2（６０２）で当該交差地点の虚像を生成する。当分野で公知のように、ＢＦＰからレンズのＦＦＰまでの時間遅延τ／２は、焦点面アパーチャ全体にわたり一定である。従って、光タップ遅延線は当該構成により実現される。出射ビームレットの集合体は次いで、後述のようにスペクトル分析その他の信号処理機能を実行すべく更に光学的に処理することができる。
【００１７】
図６に示す実施形態において、入射光束（６１４）がプリズム（５１３）を透過してＯＴＤＬセル（５００）に導入される。入射光束はｘ軸に対して僅かな角度αだけ傾いている。光束は、全内部反射を透過して、または斜辺に塗布された反射コーティングにより、プリズムの斜辺面から反射する。入射光束は、分析対象である少なくとも１個の周波数成分を含んでいる。入射光束は通常、ガウシアン空間輪郭を有していてよいが、これは必須ではない。光束がガウシアンである場合、光束は、出力カプラ鏡（５０９）のＣＦＳで半径Ｗo（位置６１３での）を有する最も狭い位置、すなわちウエスト（括れ）を形成することが好適であるが、これは必須ではない。このウエストの形成は、プリズムの前段の入射光学系（図示せず）により実現することができる。光束は、ｚ軸に対して僅かな角度αだけ傾いた光線経路６０３に沿って出力カプラ鏡から出て、セルの第１の往復移動を実行する。レンズは、光線経路６０４に沿って光束を、レンズのＢＦＰにあって中心光軸から距離ｈだけ離れた焦点Ｆ2（６０２）の方へ屈折させる。光束は、Ｆ2に達する前に、下側の２面鏡（５０３Ｂ）により反射され、次いで上側の２面鏡により反射される。光束は、あたかも焦点Ｆ1（６０１）から放射されたかの如く、光線経路６０５に沿って上側の２面鏡（５０３Ａ）から出る。更に、光束は、角調整δθに起因して、２面鏡対で正確に逆反射される訳ではない（光軸５０８に関して必ずしも同一角度ではない）。すなわち光線経路６０４と６０５は完全に平行ではない。この場合、鏡同士の角度は９０度より僅かな量δθだけ大きく、従って光線経路６０５の傾きは量２δθだけ光線経路６０４の傾きより小さい。レンズは、光線経路６０６に沿って光束を出力カプラ鏡の方へ屈折させ、再びｚ軸に対して僅かな角度αだけ傾いている。光束は、タップ１（６１５）の位置で出力カプラ鏡へ入射し、これによりセルの第１の往復移動を終える。タップ１の位置は入射光束位置から距離Δ（６１２）だけずれていて、これがタップ間乖離である。入射光束のごく一部が、勾配反射コーティングにより出力カプラ鏡を透過されて、第１出射端ビームレットすなわちタップ１（６１５）を形成する。入射光束の大部分は反射されて光線経路６０７に沿ってセル内へ戻り、セルの第２の往復移動を開始する。この反射光束は、上記と同様だが、今回は光線経路６０７、６０８、および６０９に沿ってセルを横断し、光線経路６１０に沿って出力カプラ鏡に戻り、そこでタップ２の位置に入射する。タップ２の位置は、タップ１の位置から距離Δだけずれており、入射光束の別のごく一部が勾配反射コーティングにより出力カプラ鏡を透過されて、第２の出射ビームレットすなわちタップ２（６１６）を形成する。調整角度δθおよびδｚにより、光束は各々の往復移動毎にΔだけ出力カプラ鏡を横断する。光束はまた、Ｆ1とＦ2が静止しているもかかわらず、各々の往復移動毎に２面鏡の面を横断する。このプロセスは、出力カプラ鏡のアパーチャ全体にわたり一連のＮ個の出射ビームレットまたはタップが生じるまで繰り返される。簡便のため、セルのＮ回の往復移動の全てについて必ずしも全ての光線経路を図示していはいない。タップの数Ｎは、数十〜数百個のオーダーである。
【００１８】
出力カプラ鏡ＣＦＳ上の勾配反射コーティングは、好適には二つの目標を達成すべく設計されている。第一に、コーティングは、入射光束の強度のほぼ全てがＮ子のビームレット全体にわたり分布し、且つ入射光束の最小強度が結像レンズまたは出力カプラ鏡によりビネットされたΝ＋１個のビームレットに向けられるように設計されていて、これにより光束の強度はセルの外部へ効率的に伝達される。この特徴は、ＯＴＤＬに後続する素子に高い光学的スループットを与える。第二に、コーティングは、ＯＴＤＬから出射されるビームレットの強度に特定の重み付けを行なうべく設計されている。例えば、ビームレットは、全てが同しい強度を有するように重み付けすることも、あるいは、出力カプラ鏡全体にわたる位置の関数として、先端を切られたガウシアン輪郭に従うように重み付けすることもできる。選択された特定の重み付けはアプリケーションに依存するが、重み付けは通常、図６には示していない後続するフーリエ変換レンズの後焦点面で、結果として生じる光スペクトル応答（光点の大きさと形状）を最適化すべく選択される。光点の大きさと形状は、スペクトル分解能（光点幅）および漏話（いわゆる「サイドローブ」における近接する強度を含む光点形状等、性能パラメータに直接関係する。最適な応答は、これらと、発明の背景で与えられた他の性能パラメータとのトレードオフの結果である。
【００１９】
ＯＴＤＬの動作の一つの解釈は、ＯＴＤＬが折り返し光画像システムのように機能するとの認識に基づいている。セルの各往復移動は、光画像処理動作を表わす。入射光束位置から、あるいは任意の後続タップ位置から、出力カプラ鏡を出る光束の輪郭は、画像システムの対象である。対象はシステムを透過して結像されて出力カプラ鏡に戻され、光束輪郭の画像が生成される。レンズおよび２面鏡対は、基本的に自身の中心点で自身に折り返し４ｆ無限焦点リレー画像システムを形成するが、従来の４ｆ無限焦点リレーは２面鏡ではなく平面鏡を有している。ＯＴＤＬの場合、２面鏡対は、光束輪郭の画像が対象から距離Δだけずれるように主光線角度を変える機能を果たす。４ｆ無限焦点リレー構成により横方向の拡大は一様であり、従って画像は対象と同じ大きさである。すなわち、出力カプラ鏡を出る光束の輪郭は、各々の出射ビームレット位置において同じ大きさで何度も再生される。例えば、入射光束のガウシアン輪郭が出力カプラ鏡のＣＦＳでウエストを有する場合、当該ウエストが出力カプラ鏡のＣＦＳにおける各々の出射ビームレット位置で再生する。また、全ての出射ビームレットは平行であり、且つｚ軸に対して小さい角度αで伝播している。
【００２０】
図７に、ＯＴＤＬセルの結果生じる出射の例を主光線跡の詳細を省いて示す。ＯＴＤＬは、入射光束の反復である出射ガウシアンビームレット（７０１）のマッチングした組を生成する。出射ビームレットは平行であり、共通するウエストの大きさＷOを有し、全てのウエストが共通の平面にあって、当該平面内で距離Δだけ間隔を空けられており、且つ互いに時間τだけ遅延している。これらの特徴は後述するように、光スペクトル分析その他の光信号処理機能を実行する際に有利である。
【００２１】
図８に、ＯＴＤＬセルを通る光束の主光線の代替的に可能な経路の例を示す。この構成において、入射光束（８０３）は図６と比較して、ｘ軸に対して反対側に傾いており、ビームレット間隔Δが最小化できる点が有利である。入射光束の傾きが変化することにより、出力カプラ鏡から出る、および戻る光束の傾きに対応する変化が生じる。出力カプラ鏡を出る光束はレンズにより焦点Ｆ1（８０１）の方へ屈折され、最初に上側の２面鏡（５０３Ａ）に入射する。下側の２面鏡（５０３Ｂ）から反射された後で、光束は焦点Ｆ2から発せられているように見える。この場合、鏡同士の角度は、９０度より僅かな角度δθだけ小さい。８０４から８１１を通る光線経路のラベル付けは、図６の６１０を通る光線経路６０３に関して行なった上述の場合と同様に解釈される。ここでＮ個の出射ビームレットは図６と比較してｚ軸に対して反対側に傾いている。
【００２２】
本発明は、その好適な実施形態により、光信号のスペクトル分析またはチャネル化を可能にする。信号の周波数成分または波長成分の比較的高い、比較的微細なスペクトル分解を可能にする。
【００２３】
公知技術との比較
本発明および米国特許第６，６０８，７２１号（以下「公知の超微細装置」とも称する）に記述されている超微細装置は、光信号のスペクトル分析またはチャネル化を可能にする。両装置共に、特に光ファイバ電気通信システムのマルチプレクサまたはデマルチプレクサ装置として有用である。これらは波長分割多重（ＷＤＭ）システムで用いて複数の波長を合成または分離することができ、この場合各波長チャネルは何らかの信号情報またはデータ情報を含んでいる。両装置共に、米国特許第６，６０８，７２１号（開示内容を本明細書に引用）に記載されているような干渉薄膜コーティング、古典的回折格子、アレイ化導波管格子等の既存技術よりも高いスペクトル分解能を実現することができる。出願人が所有する係属中の関連特許出願、すなわち米国出願第６０／２０８，８９４号、米国出願第１０／１９９，４９５号、米国出願第１０／０５１，３３４号、米国出願第６０／２６３，３０６号、米国出願第１０／０５１，２２９号、米国出願第６０／２６３，３０７号、米国出願第１０／７１５，８２４号、米国出願第６０／４２７，２４９号、米国出願第６０／７０７，５４５号も本明細書に引用されている。
【００２４】
本発明は、公知の超微細装置で得られるよりも高いまたはより微細なスペクトル決定の実現を可能にする。本発明をＷＤＭ目的で利用して電気通信システムにおける複数の波長チャネルを合成または分離することができる。特に、微細なスペクトル分析の実行に有用である。例えば、本発明は、光搬送波に変調情報を乗せる光通信システムにおける単一波長チャネルの極めて微細なスペクトル分析を可能にする。本発明は、極めて高いスペクトル分解能を必要とするアプリケーションに対する公知の超微細装置の拡張とみなすことができる。
【００２５】
図１に、公知の超微細装置に入射して、当該装置を透過してジグザクのパターンを形成する、視準された入射光束の例を示す。図１に示す光束は多少理想化されている。図に示すように、入射光束１００ｆは視準された状態で現われ、全てのタップ１２４ａ〜ｉを通じて完全に視準されたままである。どの光束も発散するようには示していない。実際の光束はすべて、ある距離にわたり伝播するにつれて発散または回析して拡散するため、これは理想化である。回折または拡散効果は、ある場合には制限または制御することができる。例えば、自由スペクトル領域（ＦＳＲ）または１００ギガヘルツのオーダーの帯域幅および１０〜１００タップのオーダーの多数のタップ用に設計された公知の超微細装置がそのような場合であろう。そのような場合、ジグザク経路を通る際に生じる発散または拡散が最小限であるように装置内の光束の総経路長は充分に短いため、光束が視準されているとの理想化が当てはまる。しかし、更により微細なスペクトル分解能が要求される場合、装置内の総経路長は比例的に増大する必要がある。このような経路長の増大は二つの方式のうち一つにより実現することができる。第一に、各々の往復移動がより長くなるようにキャビティ長を増大させることができる。第二に、タップの数（または往復移動またはバウンド）を増大させることができる。これらのオプションのいずれかが、キャビティの両側に平坦且つ平行な鏡面を有する公知の超微細装置を用いて試みられたならば、自然な光束発散はいくつかの点で問題になり得る。光束は発散し始め、図２に示したものと同様の状況が出現する。本図は実際にはＶＩＰＡ装置を描いたものであるが、同様の影響が出現する。光束は拡大して発散し始め、各タップにおいて光束は益々大きくなる。この光束拡散には三通りの結果がある。第１の結果は、光束が拡散するにつれて装置は、光束が分離またはぼかされることを防止すべく光束を含むように横方向の寸法を物理的に大きくしなければならない点である。第２の結果は、出射ビームレットが拡大するにつれて、単一のビームレット全体にわたるキャビティ出射面の反射率の変化を無視できなくなる点である。第３の結果は、ビームレットが大きくなるにつれて、これらは重なり始めて、キャビティ出射面の任意の与えられた位置における反射が２個以上のビームレットに作用するため、ビームレットの強度の重み付け制御はもはや独立していない。すなわち、出射ビームレットが重なっているかまたは大幅に重なっている位置まで光束が延長した場合、各ビームレットはその光束中心および隣接するビームレットの光束中心において自身の反射性を覆っている（またはサンプリングしている）ため、勾配反射コーティングではもはや個々のビームレットの重み付けを正確に制御することはできない。本発明は、高いスペクトル分解能の実現を意図していて、装置を通る長い総経路長が必要とされるアプリケーションで光束拡散問題を克服または除去する方法を提供する。
【００２６】
本発明の好適な実施形態において、公知の超微細装置のように光束を一様な媒体を透過して自由に伝播させるのではなく、本発明によれば、例えば図５に示すように結像レンズにより各々の往復移動に際して光束を再結像することにより光束の拡散問題を克服する。図７は、所望の結果の例を示すことを意図している。公知の超微細装置の場合と同様に、入射光束は通常ガウシアン空間輪郭を有する。しかし、本発明では入射光束が連続的に発散せず、出力カプラ鏡において入射光束がＮ回再現されるようにキャビティを通る各々の往復移動に際して再結像される。従って、全てが同じ大きさであるＮ個のガウシアンビームレットの組が生成される。例えば、入射光束の直径が小さい場合、その直径が小さい光束がＮ回再生されてＮ個のタップまたはＮ個の出射ビームレットを生成する。従って、出力カプラ鏡で必要とされる横方向寸法の全アパーチャは公知の超微細装置で必要とされるものよりも非常に小さく、ＣＦＳでの出射ビームレットには重なりが極めて少ない。
【００２７】
光束拡散問題が解決された結果、キャビティ長Ｌを極めて長く、例えば数センチメートル〜数メートルのオーダーにすることができ、光束拡散に関係する上述の問題が生じることなく公知の超微細装置で実現できるものより極めて長い。公知の超微細装置のキャビティ長は、ミリメータのオーダー、通常は約１〜１０ミリメートルの長さに限られる。本発明の比較的長いキャビティ長により、キャビティにおける極めて長い総経路長または総時間遅延を可能にする。総遅延は、光束の往復移動時間τと、生成されたビームレットの個数Ｎの積である。同時に、本発明におけるタップ間の時間遅延は比較的長く、自由スペクトル領域（ＦＳＲ）または装置の明確な帯域幅は、公知の超微細装置の帯域幅より比例的に小さい。
【００２８】
考慮すべきＯＴＤＬには２個の主要なパラメータ、すなわち（１）装置が処理できる一義的な帯域幅であるスペクトル自由領域（ＦＳＲ）、および（２）装置のスペクトル分解能ρがある。スペクトル分解能は、ＦＳＲをタップの個数Ｎで除算したもの、すなわちρ≒ＦＳＲ／Ｎにおおよそ等しい。同じく、スペクトル分解能は、装置の総遅延時間で逆数、すなわちρ≒１／Ｎτにおおよそ等しい。２枚の平坦な反射面で構成された公知の超微細装置の場合、最適な適用空間は、高周波側で約１００ギガヘルツ（光束の重なりを防止すべく入射光束の大きい角度により制限される）、および低周波数側で約１０ギガヘルツ（光束拡散の鈍化により制限される）のＦＳＲの場合である。ＦＳＲが約１０ギガヘルツを大幅に下回る公知の超微細装置の製造は困難であろう。光束拡散問題に加え、平坦な反射面が大きくなって、要求される面の平坦さを以って製造することが困難であろう。興味深いことに、本発明によるＯＴＤＬ装置のＦＳＲに対する上限は、５〜１０ギガヘルツのオーダーである（図２７に示し、且つ後述するように、結像レンズまたは球面鏡の曲率の厚さにより制限される）。一般に、ＦＳＲが小さいほど、本発明によるＯＴＤＬ装置の製造が容易である。このように、これらを考え合わせると、公知の超微細装置および本発明によるＯＴＤＬ装置の適用帯域幅は広範囲にわたる。両方の種類の装置は共に、通常はほぼ同数であるＮ個のタップ、すなわち同数の分解素子または分解光点を有する。従って、公知の超微細装置は、より広い帯域幅および適度なスペクトル分解能を必要とするアプリケーションに適している一方、本発明によるＯＴＤＬ装置はより狭い帯域幅および極めて高いスペクトル分解能を必要とするアプリケーションに適している。
【００２９】
アプリケーションおよび用途
２００２年７月２１日出願の米国特許出願第１０／１９９，４９５号（ＰＣＴ／ＵＳ０２／２３１０９）「光タップ遅延線を用いた光信号処理の方法および装置」は、米国特許第６，６０８，７２１号に開示されている超微細光タップ遅延線装置を利用する光信号処理の実施形態を記述している。米国出願第１０／１９９．４９５号は本明細書に引用しており、その実施形態を本明細書において「公知のＯＴＤＬ利用ＯＳＰアプリケーション」と呼ぶ。特に、本発明によるＯＴＤＬは、公知のＯＴＤＬ利用ＯＳＰアプリケーションの全ての実施形態における公知の超微細装置を代替することができる。
【００３０】
図５、６、７、および８に本発明のＯＴＤＬキャビティの例を示す。ＯＴＤＬキャビティを含む光学系は、空間分離Δにより等間隔に設置され、互いに時間遅延τだけ時間的に遅延があるＮ個の出射ビームレットを生成する。信号処理機能、例えばスペクトル分析、を実行すべく、追加的な成分を用いてＮ個の出射ビームレットに対する更なる処理が通常は必要である。図１９に、スペクトル分析または光信号のチャネル化を実行する基本的構成の例を示す。ＯＴＤＬキャビティからの複数の出射ビームレットは、各々の波面方向は入射光信号に存在する光の波長で決定される、特定の方向への波面を生成することと見なすことができる。波面（または組成ビームレット）は、Ｎ個の出射ビームレットまたは出射タップに対してフーリエ変換動作を実行するフーリエ変換レンズ（１９０４）またはフーリエ変換光学系の方へ向けられている。フーリエ光学系は単純な球形レンズ、またはレンズの組み合わせ、あるいはより複雑なアナモルフィック系であってもよい。フーリエ変換動作の結果、フーリエレンズの焦点面（１９０３）に光周波数スペクトルが生成され、波面入射の角度１９０４が焦点面上の位置に変換されている。すなわち、入射光束の組成波長成分は空間的に分離されていて、焦点面で空間的に分解されており、これは周波数平面とも呼ばれる。図に示す例では、入射光束の２個の波長成分がある。フーリエ変換レンズから焦点面への破線は、ＯＴＤＬからの出射ガウシアンビームレットが焦点面でどのように光点に集光させるかを示している。波長λ1の光は波面１９０５を生成し、フーリエレンズにより１個の点（１９０１）に集光され、波長λ2の光は波面１９０６を生成し、且つ空間的に分離された光点（１９０２）に集光される。このように、フーリエ変換光学系と合わせてＯＴＤＬは、入射光のスペクトルを空間的に発散させ、各々の周波数成分は、「ν」とマーク付けされた周波数軸に沿って分布している。
【００３１】
周波数平面における例証的な光スペクトルの様子を米国特許第６，６０８，７２１号から取り出した図４に示す。この場合、入射光束には３個の異なる波長成分または周波数成分があり、光点６２、６３、および６４で示すように、各波長成分は焦点面で別々の集光された光点を生成する。また、本発明では、他の光点（または他のオーダー）も同様に存在してよく、すなわち、各波長成分は焦点面で複数の波面、従って複数の光点を生成する。これらの光点は、当該装置の多干渉オーダーとも呼ばれる。すなわち、再び図４に示す例を参照するに、単一周波数入射の結果、光点６２、６８、および６５が生じる。光点６３、６９および６６に別の僅かに異なる周波数が生じ、以下同様である。１個以上のオーダーを用いることができるが、通常はアプリケーションに依存する。また、さまざまなオーダーの光点の出射は、スペクトルエンベロープ機能により重み付けがされていて、その例を曲線７１で示す。スペクトルのエンベロープを調整して、ＯＴＤＬキャビティに適用される入射光束の空間輪郭を制御することによりある程度まで多オーダー相対的な重み付けを制御することができる。通常は、周波数平面の中心近く、すなわちフーリエレンズの軸近くのオーダーは最も高い重み付けを有し、出射はいずれかの側に向かって減衰する。
【００３２】
各種の装置を周波数平面に配置することができ、例えば、検出器アレイを用いて光スペクトルを検出することができる。これらのオプションのいくつかのは米国特許第６，６０８，７２１号の第２０行、７列目から始まって詳述されており、これらのオプションは本発明にも同様にあてはまる。例えば、検出器のアレイ、小レンズのアレイ、光導体のアレイ、ファイバ束、グリンレンズのアレイ、または上記の任意の組み合わせを周波数平面に配置することができる。この目的は、焦点面でのスペクトルを検出して測定することであってもよく、あるいは、例えば光ファイバ束を用いて異なる光点（異なる波長）を異なるファイバに結合し、その後で検出、チャネル化、処理、または他の場所への搬送を行なってもよい。
【００３３】
図９に、本発明の動作の記述に役立つ機能ブロック図の例を示す。本図は、米国特許第６，６０８，７２１号から取られ、本発明にも同様に適用できる。光入射光束は図の左から入射し、その光束から入射光束のサンプルを表わす光出射または光タップが導かれる。各々の遅延素子Ｄは、光束に僅かな追加的遅延τを課す。このように、最終結果として入射光束の全て互いに時間遅延があるＮ個のタップまたはＮ個サンプルが得られ、従って、光タップ遅延線が実現される。ＯＴＤＬ装置がスペクトル分析またはチャネル化をどのように実現するかの詳細が米国特許第６，６０８，７２１号に記述されていて、その記述が本発明にも同様に適用できる。当該記述は、米国特許第６，６０８，７２１号の第７列第２５行〜第６５行に見られる。当該記述は、米国特許第６，６０８，７２１号の図１０および図１１に関係している（各々本明細書において図９および図１１に対応する）。当該記述は、出射タップ間での光の相対位相シフト、およびスペクトル分析を可能にするそれらの位相シフトへの波長依存に関する詳細情報を提供する。
【００３４】
米国特許第６，６０８，７２１号の図９（本明細書の図１０に対応する）もまた、チャネルフィルタ形状またはチャンネル応答を生成する機構の記述において本発明に適用できる。当該記述は、米国特許第６，６０８，７２１号の第１１列第４０行〜第５０行に見られる。本明細書の図１０を参照するに、図１０（ａ）に単一波長入射に対応する周波数平面での光点７３の輪郭の例を示す。図１０（ｂ）に、所与のチャネルを規定する周波数平面に配置された検出器素子または光ファイバあるいは小型レンズ等の空間応答７４の例を示す。通常、周波数で光スペクトルを広げて一連のチャネルを規定するこのような検出器素子または光ファイバあるいは小型レンズのアレイがある。図１０（ｃ）に例を示すように、チャネルフィルタ形状またはチャンネル応答７５は、畳み込み７３、７４により数学的に与えられる。
【００３５】
別のアプリケーション領域として、一般的な光信号処理およびフィルタリング動作があり、この場合、本発明が一定時間遅延光タップ遅延線を提供する事実を利用することができる。図２４に、そのような処理またはフィルタリング動作用に構成された本発明の例を示す。図に示す構成において、Ｎ個の出射ビームレット、すなわち入射信号の遅延したＮ個のサンプルが空間光変調器２４０１（ＳＬＭ）に適用される。ＳＬＭのピクセルは次いで、ビームレット個々に重み付けを適用することができる。これらの重み付けは、ビームレットの振幅および／または位相を変更することができ、重み付けはコントローラ装置（図示せず）を介してプログラム可能であってよい。制御信号自体は電気でも光でもよく、任意の手段でＳＬＭピクセルに供給されてよい。個々に重み付けされたビームレットは次いで、レンズ（２４０２）により積分または加算されて、検出器その他の出射装置２４０５の光点２４０４に集光される。検出器で結果的に生じた光強度は、フィルタリングまたは処理機能の出力を表わす。実現可能な処理機能は、有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタリング、相関計算、発散補償、多重経路干渉補償、および光符号分割多重アクセス（ＯＣＤＭＡ）符号化および復号化を含むがこれに限定されない。実装される特定の機能は入射光束に課される時間的信号変調に依存し、振幅および／または位相重み付けはＳＬＭによりビームレットに適用される。
【００３６】
図２５に動的ＦＩＲフィルタの別の実施形態を示す。本実施形態において、ＯＴＤＬは図５〜８の説明で述べたように入射光信号２５０７を処理する。本発明のＯＴＤＬ５００が出るビームレットは、結像光学系２５０２を透過して、通常はモジュレータアセンブリ２５０４の一部である平面反射位相または振幅変調器アレイ２５０５上へ結像される。ＯＴＤＬおよび結像光学系の通過により、情報搬送している光信号が、入射信号の多くの個々にアドレス指定可能な時間遅延されたレプリカ（タップ）に分割される。変調器アレイ２５０５から反射された信号は、結像光学系２５０２の方へ、および本発明のＯＴＤＬへ戻るように誘導される。ＯＴＤＬの逆向き動作は次いで、出力信号２５０８を生成する。ＦＩＲフィルタ分野で公知のように、（好適には）個々のピクセルからの変調器アレイの反射の振幅を調整することにより、各種のフィルタ機能を実現することができる。タップは、ＣＦＳの勾配コーティングにより規定された変調器アレイ全体にわたる光強度分布を有する。ＯＴＤＬは名目的に、但し必須ではないが、少なくとも数百個のタップを、位相変調器アレイの各ピクセルに１個ずつタップを出力すべく設計することができる。あるいは、変調器アレイは、結像光学系２５０２を必要なくすべく出力カプラ鏡のＥＦＳ付近に配置することができる。
【００３７】
本発明は高分解能光スペクトル分析を可能にする。本発明のキャビティアーキテクチャは光束の長い総経路長を提供する。すなわち、光信号の保存期間が長く、またはタップの総個数Ｎに往復遅延τを乗算した値に等しい、長い総遅延時間である。高いスペクトル分解能が可能なのはこの長い遅延時間による。ヘルツ単位のスペクトル分解能は、総遅延時間の逆数にほぼ等しく、従って遅延時間が長いほど分解能がより微細である。本発明は、数何十メートルの伝播オーダーである総光路長に等しい、例えば数百ナノ秒のオーダーになる長い遅延を与える。そのような長い総経路長を提供することに加え、公知の超微細装置で生じる光束拡散および分散の問題は、光束が出力カプラ鏡に戻るたびに極めて小さい同じ大きさの光束であるように本発明で実行される光束の再結像動作により除去される。従って、これにより出力カプラ鏡に求められる物理的なアパーチャが大幅に小さくなる。例えば、２枚の平坦且つ平行な反射器で作られ、高いスペクトル分解能アプリケーション用に設計された公知の超微細装置の場合、これらの反射器の出射アパーチャはｘおよびｙ方向両寸法においてたやすく数センチメートルとなり得る。本発明において出力カプラ鏡のアパーチャが、ｘ方向に１〜２センチメートル、ｙ方向に１ミリメートル以下のオーダーで極めて管理可能なものに縮小することができる。光学的部品の製造を大いに可能にして、装置全体のパッケージ寸法を小さくするのはこの小型化されたアパーチャ領域である。更に、本発明により実行される再結像動作は入射光束をＮ回反復することにより、反復されたＮ個の入射ガウスビームを出力カプラ鏡全体にわたりアレイ化できる。Ｎ個の出射ビームレットは、全て大きさが一致しており、全て平行であって、全てが共通ウエストにガウシアン光束を有し、通常は出力カプラ鏡と一致しており、小型化されたアパーチャの面積を占有する。これらの幾何学的特徴は次いで、フーリエ光学系、ＳＬＭ、あるいは出射ビームレットを処理すべく出力カプラ鏡の外部で用いられる他の任意の光学系へそれらの出射ビームレットを渡す際に極めて有利である。
【００３８】
本発明のＯＴＤＬはまた、本明細書に引用している２００３年１１月１９日出願の米国特許出願第１０／７１５，８２４号に開示されている装置およびアーキテクチャと同様の光エンコーダまたはプライバシー装置に利用することができる。
【００３９】
図２６に、本発明の例として光通信リンク上で安全な送信を行なうための反射モードの高スペクトル分解能信号エンコーダ２６００を示す。本装置の動作は以下の通りである。情報搬送する入射光信号２６１３が光ファイバ２６１０経由で到着して、光サーキュレータ２６１６に供給される。当該光サーキュレータは自身から当該信号を光ファイバ２６１１内の信号２６１４として外部へ送り出す。光ファイバ２６１１からの光信号は、視準されて、本発明のＯＴＤＬの出力カプラ鏡における適当な大きさの光点に集光される。入射光信号は、図５〜８の説明で述べたように処理される。ビームレットはＯＴＤＬから出て、レンズ系２６０２がそれらのビームレットを、通常はモジュレータアセンブリ２６０４の一部である平面反射位相変調器アレイ２６０５に集光させる。ＯＴＤＬおよびフーリエ変換光学系を通過することにより、情報搬送している光信号が多くの副帯域に分割される。副帯域は、位相変調器アレイ全体にわたる光強度分布を有し、添付されている周波数軸沿いの光強度対位置グラフ２６０３により示される。ＯＴＤＬは名目的に、位相変調器アレイの各ピクセル毎に副帯域を１個ずつ、数百個の副帯域を出力すべく設計できるが、必須ではない。
【００４０】
反射位相変調器アレイ２６０５は、液晶アレイ、ＭＥＭＳ装置、あるいはＩＩＩ−ＶまたはＩＩ−ＶＩ半導体装置を含むがこれらに限定されない多くの方法で実装することができる。位相シフトが変化する速度は、提供されるセキュリティのレベルに直接影響を及ぼす場合がある。本例では、各副帯域に１個のモジュレータ素子が関連付けられている。各々の副帯域がモジュレータ素子を通過する際に、制御コンピュータ２６０６が決定する方法で位相シフトされる。変調器アレイ２６０５の鏡部分は、レンズ系２６０２を透過して副帯域を逆向きに反射する。ＯＴＤＬ５００は副帯域を光信号２６０８に再合成し、当該信号は入射ファイバ２６１１に戻されて合成され、サーキュレータ２６１６によりファイバ２６１２内の光信号２６１５として誘導される。出射光信号２６１５は、入射光信号２６１３のスクランブル化、符号化、または暗号化された形式であって、この時点で光通信リンクを透過して送信される。
【００４１】
エンコーダ２６００からの信号はほぼ同一だが別個のデコーダ２６００により受信され、実施形態２６００は、出射光信号が波長依存位相変調を受けていればエンコーダと呼ばれ、出力信号から波長依存位相変調が除去されていればデコーダと呼ばれる。エンコーダの場合、各アレイ素子がエンコーダ内の対応モジュレータとして同一副帯域を受信している状態で、副帯域が反射位相変調器アレイ２６０５上に結像される。制御コンピュータ２６０６は、エンコーダの制御コンピュータが指示したのとは逆の仕方で各副帯域を位相シフトさせる。次いで各副帯域は反射されてレンズ系２６０２を透過してＯＴＤＬ５００に戻る。ＯＴＤＬ５００は副帯域を、更に処理またはルーティングすべく、ファイバ２６１２へ出力される単一信号に再合成する。
【００４２】
各副帯域を位相シフトさせる効果は歪みを導入することにある。歪みの程度が充分な場合、情報内容は解読不能になってセキュリティが強化される。制御コンピュータ２６０６は変調器アレイに対し、コンピュータ入力に関する知識を持たない者には予測不可能な仕方で副帯域の位相を変更する方法を指示する。位相シフトが変わる頻度は必要なセキュリティのレベルに依存する。固定位相シフトパターンは、信号を認識不能にするのに充分な程度に歪ませる。しかし、確信犯的な傍受者は、信号を解析して、遂には位相シフトパターンの効果を判別し、反転させることができる。継続的なセキュリティを保証すべく、固定位相シフトパターンを時折変更することができ、これにより潜在的傍受者が最初から解析をやり直さなければならなくなる。最高度のセキュリティを得るには、この変更を充分な頻度で変更して、予想される最高性能の計算システムを以ってしても、パターンが変更される前に任意の公知の解析が成功しないよう、長時間位相シフトが固定されないことを保証しなければならない。
【００４３】
好適には、位相変調器へのコンピュータ入力は決定論的アルゴリズムから導くことができ、その出発点は、コンピュータになされた鍵の設定から導くことができる。これにより、当該アルゴリズムと鍵の設定の両方の知識を有する受信者が同一の制御コンピュータ信号を再生して、位相歪みを元に戻して情報信号を無傷で修復できるようにする。
【００４４】
本発明のこの実施形態の原理を示す目的で、単一の信号またはチャネルだけについて記述している。しかし、米国特許第６，６０８，７２１号に記述されているようなＯＴＤＬのマルチポートインターリービング機能を用いることにより、本発明による実施形態は、マルチチャネルＷＤＭ通信システムの全てのチャネルを同時に暗号化することができる。ここで用いているように、暗号化という用語は符号化方法を含んでいるが、これに限定されない。
【００４５】
本発明のＯＴＤＬが米国特許出願第１０／７１５，８２４号の他の全てのアーキテクチャのＯＴＤＬを代替できる点に注意されたい。
【００４６】
本発明は、一定時間遅延光タップ遅延線である。タップ間で固定された一定の時間遅延を提供する。時間遅延は、入射光波長または入射光周波数からは独立している。その結果、フーリエ変換レンズにより焦点面に生成された周波数平面の対応関係は、公知の超微細装置により生成されたものよりはるかに強い線形性を示す。本発明はまた、関連するアプリケーションを可能にし、且つそれらを含んでいる。すなわち若干列挙すれば光マルチプレクサ／デマルチプレクサ、光平頂フィルタ、光スペクトルアナライザ、光有限インパルス応答フィルタ、光相関計算、光符号分割多重化、および光暗号化等である。
【００４７】
実施への還元
図１７に実験的な構成（図１７ａ）および本構成から得られたデータ（図１７ｂ、１７ｃ）を示す。本構成において、光は視準レンズ（１７０３）のすぐ右側にある視準されたファイバ出射アセンブリ（図には示さず）から装置に入射する。視準レンズ１７０３はファイバの出射を、入力カプラプリズム（１７０２）を透過させて出力カプラ鏡（１７０４）上に結像する。光束は次いで、出力カプラ鏡（１７０４）、結像レンズ（１７０５）、および２面反射器（１７０６）の間に形成されたＯＴＤＬキャビティ内で数回往復移動を行なう。各々の往復移動により、出力カプラ鏡１７０４から、写真には示さないカメラアセンブリ（１７０１）に向かって進む出射ビームレットが生成される。画像処理カメラアセンブリは通常、出力カプラ鏡からのビームレット光点をカメラセンサーアレイに結像させる画像形成光学系を含む。図１７ｂに、出力カプラ鏡からの出射ビームレットの画像を示し、図７の出射ガウシアンビームレット（７０１）を視認することと実験的に同等である。全てのビームレットの大きさがほぼ等しいことが特に注意すべき点である。スペクトル分析を強調すべく僅かに拡張された実験的な構成において、フーリエ変換レンズ系が出力カプラ鏡の出射ビームレットを周波数平面にマッピングする。周波数軸に沿って光強度を記録すべくラインカメラが焦点面に配置されている。本実施形態の高分解能のテストとして、入射光信号の強度を１０ＭＨｚの正弦波信号により変調するが、これは光搬送周波数の上下１０ＭＨｚに変調側波帯を生成することが知られている。図１７ｃに、周波数軸沿いに検出光強度を示し、明らかに光搬送波および二つの側波帯ピークを分解する。従って、本構成は１０ＭＨｚの分解能が可能であり、任意の市販の直接検出方式の光スペクトルアナライザより優れている。
【００４８】
数学的理論および有利な設計例
本発明の動作の数学的理論のいくつかを以下に与える。ＯＴＤＬキャビティの自由スペクトル領域（ＦＳＲ）は次式で与えられる。
（数２）
ＦＳＲ＝ｃ／２Ｌ
ここに、ｃはキャビティの媒体内の光速、Ｌはキャビティ長である。ＦＳＲは、装置の明確な帯域幅であって、ヘルツ周波数を単位でのキャビティモード間隔と同等である。
【００４９】
スペクトル分解能ρは、ＦＳＲをタップ個数Ｎで除算した値にほぼ等しい。
（数３）
ρ≒ＦＳＲ／Ｎ＝１／Ｎτ
ここに、τ
は装置の総遅延時間２Ｌ／ｃである。
結像レンズの焦点距離は次式で与えられる。
（数４）
ｆ＝Ｌ／２
【００５０】
出射ビームレットのタップ間隔Δは、πにＷOを乗じた値以上であることが好適である。ここに、ＷOは入射ガウス光束がガウシアンの場合に入射ガウシアン光束ウエストの半径である。
（数５）
Δ≧πＷO
【００５１】
ガウシアン入射光束を用いる必要はないが、通常はそうする。この不等式条件を満たすことにより、スペクトルエンベロープが周波数平面から離れることが保証され、すなわち周波数平面における重み付け関数は厳し過ぎない。この不等式条件が満たされていれば、スペクトルエンベロープの中心干渉オーダーからの乖離は、帯域幅の中央から帯域幅の端まで２．２ｄＢ以下に制限される。
【００５２】
２面鏡へ入射したガウシアン光束（入射光束がガウスである場合）の半径は次式で与えられる。
（数６）
Ｗd＝（λｆ）／（πＷO）
【００５３】
図８を参照するに、本図は主光線だけの経路の例を示す。主光線とは光束の中心光線である。物理的に、光束は主光線の周りに非ゼロの幅を有し、ｗdは、ＯＴＤＬキャビティの左端で２面鏡に入射した際の光束の半径を表わす。
【００５４】
２面鏡対の角度調整δθは、２面角が９０度からずれる程度であって、次式で与えられる。
（数７）
δθ＝Δ／２ｆ
【００５５】
角度調整を用いてタップ間隔Δを制御する。また、２面鏡対の頂点は僅かな距離δｚだけ結像レンズの後焦点面（ＢＦＰ）からずれている。
【００５６】
焦点Ｆ1、Ｆ2の光軸からの位置ずらしｈは、好適にはｗdの２倍以上である。
（数８）
ｈ≧２ｗd
【００５７】
この不等式条件を満たすことにより、２面鏡に入射した光束が、鏡の頂点領域に入射しないことが保証される。すなわち、光束の全体輪郭が一方の鏡またはもう一方の鏡に完全に入射し、両者の間で分割されないことが好適である。
【００５８】
角度αは次式で与えられる。
（数９）
α＝ｈ／ｆ
【００５９】
通常、上述のｈが２ｗd以上とする不等式条件を満たす位置ずらしｈの値を生成すべくαが選択される。
角分散は次式で与えられる（ヘルツ当りラジアン単位で）
（数１０）
角分散＝２Ｌλ／ｃΔ
【００６０】
角分散は、入射光周波数の変化に際してのＯＴＤＬキャビティからの出射ビームの角度変化を記述する。ここに、用語「出射ビーム」は、Ｎ個の出射ビームレットまたはＮ個のタップの総計を指す。すなわち、入射光束の入射光周波数が変化するにつれて、出射ビームレットの相対位相が変化して本発明の出射ビームを効果的に誘導する。出射ビームの効果的な伝播方向は、Ｎ個の出射ビームレットを接続する一定の位相の線に垂直である。ヘルツ単位での周波数毎のラジアン単位での角度変化の量が角分散である。フーリエレンズにより焦点面に集光された光点の位置での空間変化に変換されるのは周波数の関数としての角度変化である。
【００６１】
ｘ軸のＯＴＤＬキャビティの出力カプラ鏡で必要とされるアパーチャの大きさは、タップ空間Δにタップ個数を乗じた値に等しい。
（数１１）
アパーチャ＝タップ個数×Δ
【００６２】
公知の超微細装置と比較して、同じ仕様に対して本発明で比較的小型化が可能なのはアパーチャである。通常、公知の超微細装置に対して本発明で実現可能なアパーチャの小型化の度合いは１０倍〜１００倍のオーダーである。本発明の主張な特徴は、出力カプラ鏡で必要とされるアパーチャのこの減少である。
【００６３】
結像レンズのｆ数は次式で与えられる。
（数１２）
ｆ／＃＝ｆ／（アパーチャ＋２ｈ）
ｆ数は、光学設計者にとっていくつかの用途や意味を有する。この場合、結像レンズを設計および製造する際の難易度の記述を可能にする。ｆ数が５以上の場合は比較的容易である一方、ｆ数が１以下に近い場合は極めて困難である。
【００６４】
以下は、本発明の二つの可能なアプリケーション項目およびＯＴＤＬキャビティに必要とされる可能性のある形状パラメータの種類を示す二つの設計例である。例＃１は５ＧＨｚのＦＳＲである。本発明のＯＴＤＬキャビティ長さは３０ミリメートルと比較的短く、従ってパッケージ全体を大幅に小型化できる。対応するアパーチャは、同一仕様の公知の超微細装置ではν軸方向に数十センチメートルあるのに対し、ν軸方向（図１９参照）に１４ミリメートルである。また、垂直軸でもアパーチャが少なくとも数十ミリメートルである。対応ｆ数がほぼ１に等しいため、ＯＴＤＬの場合にＦＳＲが５ＧＨｚであることは潜在的にレンズ設計を困難にする。設計例＃１における本発明のＯＴＤＬで用いる光パラメータを以下に掲げる。
ＦＳＲ＝５ＧＨｚ
タップ数＝２００
スペクトル分解能＝２５ＭＨｚ
Ｌ＝ｃ／２ＦＳＲ＝３０ｍｍ
ｆ＝１５ｍｍ
ＷO＝２０μｍ（アパーチャを小さく保つため任意に選択）
Δ＝７０μｍ
Ｗd＝３７０μｍ
δθ＝０．１３４°
ｈ＝８００μｍ
α＝３．０６°
角分散＝４４２９μｒａｄ／ＧＨｚ
アパーチャ＝２００タップ×Δ＝１４ｍｍ
ｆ／＃＝０．９６
【００６５】
ここで設計例＃２を考慮するが、これは１０倍低い、あるいは５００ＭＨｚのＦＳＲの場合である。キャビティ長は従って１０倍長く、３００ミリメートルである。５００μｍと、あまり大胆でないタップ間隔を想定しているものの、アパーチャは２５ミリメートルと依然として小型である。ｆ数はこの場合はるかに大きく（４．８）、設計および製造がはるかに実現可能なレンズを表わしている。これらの二つの例におけるスペクトル分解能を考慮するに、例＃１の場合分解能は２５ＭＨｚで、例＃２の場合分解能は１０ＭＨｚであり、これは光スペクトル分析に関して、極めて微細な分解能である。これは公知の超微細装置で得られるものより約１０倍微細な分解能であって、また従来の格子利用の光スペクトルアナライザ装置により現在実現されている分解能よりも極めて微細である。市販の格子利用の光スペクトルアナライザは通常、高々数ギガヘルツのオーダーの分解能しか実現できない。従って、１０ＭＨｚの分解能は、例えば市販の機器で得られるものよりも少なくとも１００倍微細な分解能である。設計例＃２の光パラメータを以下に掲げる。
ＦＳＲ＝５００ＭＨｚ
タップ数＝５０
スペクトル分解能＝１０ＭＨｚ
Ｌ＝ｃ／２ＦＳＲ＝３００ｍｍ
ｆ＝１５０ｍｍ
ＷO＝１００μｍ
Δ＝５００μｍ
Ｗd＝７４０μｍ
δθ＝０．０９５°
ｈ＝３ｍｍ
α＝１．１５°
角分散＝６２００μｒａｄ／ＧＨｚ
アパーチャ＝５０タップ×Δ＝２５ｍｍ
ｆ／＃＝４．８
【００６６】
動作の数学的理論についてより多くの事項を米国特許第６，６０８，７２１号、特に第１１列に二つの式を含む第８列、第１０行から第１１列、第１０行に見出すことができる。公知の超微細装置用に開発された本理論の大半は、本発明にも直接適用できる。しかし、公知の超微細装置と本発明との間で動作理論に少なくとも二つの違いがあるように見える。米国特許第６，６０８，７２１号の第８列、第２２行、項目１を参照するに、公知の超微細装置の場合、出射ビームレット１２４ａ〜ｉの光束輪郭がほぼ同一であるように入射光束の直径が充分に大きいと仮定されている。換言すれば、入射光束の直径が充分に大きく、光束発散が充分に小さく、光束が比較的視準されたままであると仮定している。この仮定は必ずしも真ではなく、特にＮτが大きい高分解能設計の場合に真ではない。対照的に、本発明は、出射ビームレットの光束輪郭をほぼ同じではなく、全く同じに生成することによりこの光束発散問題を回避する。従って、極めて小さい、例えば直径１００ミクロンの入射光束から始める場合、本発明のＯＴＤＬキャビティを透過して再結像する度に１００ミクロンの直径のままである。
【００６７】
公知の超微細装置と本発明との間の数学的理論における第２の特徴的な相違は、隣接する出射ビームレット間の時間遅延τ、すなわちキャビティの往復時間遅延に関係がある。このパラメータは米国特許第６，６０８，７２１号の第８列、第５８行で定義されており、「τを隣接する出射ビーム間の時間遅延とする」とされている。公知の超微細装置の場合、構成的干渉の入射角度が波長の関数であって、隣接する出射ビーム間の相対間遅延が入射角度の関数であるため、パラメータτは実際には入射光束の入射波長または周波数の関数である。基本的に、特定のビームレットの時間遅延は当該ビームレット内で対象である角度に依存する。本発明はこのケースにあてはまらない。本発明のＯＴＤＬの幾何学的設計に起因して、全ての出射ビームレットが角度から独立した同一時間遅延を有する。出射ビームレットの構成的干渉の角度が波長または周波数により変化するが、時間遅延τは変化しない。従って、本発明を「一定時間遅延」光タップ遅延線と称する。その結果、フーリエ変換レンズにより生成される本発明の周波数平面尺度、公知の超微細装置よりもはるかに強い線形性を示す。公知の超微細装置の動作は、複数の光束干渉方程式により支配され、これはまた米国特許第６，６０８，７２１号の第１列に記述されているようにファブリペロー干渉計の動作をつかさどる。第１列の最下行に複数の光束干渉方程式がある。
（数１３）
２ｄｃｏｓθ＝ｍλ
【００６８】
角度θは、公知の超微細装置から発せられた出射ビームの伝播角度である。θについて方程式を解いたならば、θが波長λに定数を乗じた値の逆余弦関数として振舞うことがわかる。逆余弦関数は、超微細装置が通常は動作するレジーム内すなわち小さい角度θで極めて非線形である。従って、公知の超微細装置では、焦点面で非線形周波数尺度が現われ、これはアプリケーションによっては取扱い難いおそれがある。しかし、本発明が一定時間遅延光タップ遅延線であり、且つタップ間の時間遅延τが波長により変化しないため、出射ビーム角度θは波長λに何らかの定数を乗じた値の逆余弦関数に比例することを示すことができる。従って本発明の場合、周波数平面尺度は大幅に線形性が強い。
【００６９】
多光束または多入射の処理
多入射光束信号の同時処理は本発明により、公知の超微細装置と同様の方法で可能である。米国特許第６，６０８，７２１号の図６に、周波数軸に直交する水平軸に分布された一連の６個の別々の入射光束を同時に処理する公知の超微細装置を示す。本発明により同様の動作を行なうことができるが、図５、６、７および８に示すものに光学的部品を追加することが必要な場合がある。また、本発明のＯＴＤＬのスペクトル分析動作は可逆性であるため、光の方向を反転させることにより図６の右側からの複数の入射信号が単一の出射信号を生成する。可逆性および多光束を処理する能力により、本発明のＯＴＤＬに多くの追加的な用途が広がる。用途として平頂フィルタ、平頂マルチプレクサ−デマルチプレクサ、光アッドドロップマルチプレクサ、光符号分割多重アクセス方式エンコーダ／デコーダ、光暗号化、任意波形発生器、および二段階または多光束光スペクトルアナライザ等が含まれるがこれらに限定されない。以下において、これらの追加的な機能のうち三例を示す。他の用途はこれらの例から容易に理解できる。
【００７０】
図２０に、デマルチプレクサまたは波長ルータとして構成された本発明の実施形態の例を示す。ＯＴＤＬ６８５は、単一入力６８６および多出射６８７ａ〜ｆを有する。複数の鏡は６９０ａ〜ｆがレンズ系６９１の焦点面に配置されて互いに相対的に回転することにより各々の鏡部分が、分解された波長チャネルの選択された１個を受信して、出射６８７ａ〜ｆの選択された１個に向けて反射する。従って、焦点面における多面鏡のアレイは、周波数軸に対して直交する異なる水平位置に出射チャンネルを反射して、離散的な出射光束を可能にする。その結果得られたルータは、鏡部分が非可動の場合、固定されたチャネルルーティング（すなわち単純な非多重化）を提供する。しかし、鏡部分を互いに相対的に可動に構成することにより、あるいは鏡部分をＭＥＭＳ装置で代替することにより、ルータを動的にプログラムしてチャネルを選択された出力へ送信することができる。
【００７１】
図２１に、反射モードのフラットトップ・フィルタとして構成された本発明の例を示す。図２１ａ、２１ｂ、２１ｃは同一実施形態の異なるビューである。本実施形態において、焦点面における多部品鏡アセンブリは、フィルタリングのためスペクトルの一部を選択する。図１９を参照しつつ上で述べたように、入射光束２１０４はＯＴＤＬ２１１０により時間遅延ビームレット（図示せず）に分割される。ビームレットはフーリエ変換レンズ系２１０７（おそらくはアナモルフィック）により集光され、２１０８ａ〜ｍは焦点面２１０６に入射する例証的な光線を表わす。ビームレットは、焦点面２１０６で干渉し、入射光束に含まれる波長に応じて焦点面全体にわたり垂直に拡散される。鏡２１０６ｇは、当該で焦点面に入射する特定の分解された波長を、ＯＴＤＬ２１１０を透過して出射口２１０５ｇへ戻るよう誘導する。鏡２１０６ｇの垂直長は、出射口２１０５ｇへ反射されて戻る分解可能な波長（すなわちフィルタリングされたチャネル）の範囲を定める。鏡２１０６ｇを焦点面に対し垂直に上下方向に動かすことにより、且つ鏡２１０６ｇの垂直長を変えることにより、分解可能な波長（中心波長およびチャネル帯域幅）の任意の設定された範囲を選択して出射口２１０５ｇの方へ向けることができる。ＯＴＤＬ２１１０は２次元であるため、出射口２１０５ｇを入射口２１０４と共に配置する必要はない。その代わりに、鏡２１０６ｇを僅かに回転させることにより、図２１に示すように、出射口２１０５ｇは入射口２１０４から所定量だけずらされていてよい。同様に、各々波長λa〜fおよびλh〜mを反射する鏡２１０６ａ、２１０６ｍは好適には、それらの波長を出射口２１０５ａへ誘導すべく角度的にずらされていてよい。このように、入射光束内の波長の好適な組（すなわち、フィルタリングされたチャネル）が出射口２１０５ｇに選択（またはフィルタリング）される。また、鏡２１０６ｇの幅が、焦点面における最小の光点サイズより広い可能性があるため、フィルタ応答は、選択された大多数の波長に対して「平面」または一定である。平坦なフィルタ応答の効果は公知であり、特許出願第１０／１９９，４９５号でも議論されている。
【００７２】
図２１の実施形態の可能な変型例は以下の通りである。焦点面の鏡を一組の可動鏡として、フィルタリングされた波長を動的に規定するようにできる。鏡（群）は、フィルタリングされた波長（群）λgまたはフィルタリングされてない波長λa〜fおよびλh〜mを入射口２１０４の入射位置まで反射すべく設定することができる。λa〜f、λh〜mおよびλgの波長範囲はあらゆる波長において任意であり、または、波長範囲は無波長から多数の波長範囲にわたることができる。
【００７３】
図２２に、多入射光束光スペクトルアナライザとして構成された本発明の例を示す。ここに入射光束ａ〜ｉとラベル付けされた多入射信号を処理すべく、ＯＴＤＬキャビティ内の結像レンズは、好適には単一レンズではなくシリンダレンズ系であってよい。あるいは、シリンダレンズではなく、ＯＴＤＬキャビティを構成する別の可能な方法として、２面鏡をセルの左側に配置する方法を変更することが挙げられる。そのような構成では９０＋δθ程度の角度を有する一対が縦軸方向に光束移動効果を提供する一方、９０度の角度を有する他の一組は水平軸方向に正確な逆反射を提供すべく直交配置された２対の２面鏡を必要とする。再び図２２を参照するに、フーリエレンズ系は一般に、周波数軸方向のビームレットをフーリエ変換し、水平軸方向のビームレットを周波数平面に結像して、ｉ個の異なる入射光についてｉ個の異なるスペクトルを生成すべく、一組のシリンダレンズで構成されている。
【００７４】
図１２は、非常に巨大な時間帯域幅積２次元（２Ｄ）折り返しスペクトルアナライザの例を示す。サブアセンブリ１２０１は本発明によるＯＴＤＬを表わす。サブアセンブリ１２０９は公知の超微細装置によるＯＴＤＬを表わし、この場合公知の超微細装置１２０９を第１のＯＴＤＬ装置１２０１に対してｚ軸の回りに９０度回転させる回転させることにより、公知のＯＴＤＬ利用ＯＳＰアプリケーションの２次元性を利用する。そのような「交差」した実施形態において、第１のＯＴＤＬ装置は、微細な高分解能チャネル化を実行する。第２のＯＴＤＬ装置は、粗い低分解能チャネル化を実行する。交差した実施形態は、例えば、数十本のファイバが各々５０〜１００個のチャネルを搬送しているのに対して、単一のファイバが数百、更には数千もの搬送波波長またはチャネルを搬送している通信システムで利用することができる。交差ＯＴＤＬ装置は、この１本のファイバから発された全ての波長をチャネル化することができ、且つ当該波長は出射面で空間的に分離されている。一対の交差ＯＴＤＬ装置により、１本のファイバの帯域幅全体を高分解能（すなわち１ＧＨｚの以下）にチャネル化することができる。
【００７５】
二組の例証的な設計仕様を説明目的で以下に示す。第一に、サブアセンブリ１２０１は５０ＭＨｚのＦＳＲおよび１００ｋＨｚの分解能を有するように設計することができる。この場合、往復遅延時間τは、１／ＦＳＲすなわち２０ナノ秒である。約３００，０００，０００メートル／秒の光速ｃを前提として、出力カプラ鏡１２０４から２面反射器１２０２への往復移動距離Ｌは３メートル以下である。結像レンズ系１２０３（おそらくアナモルフィック系を生成する単体レンズまたはレンズの組み合わせからなる）の焦点距離はＬ／２または１．５メートル以下である。所与の分解能ρに必要とされるタップの個数Ｎは、概ねＦＳＲ／ρに等しく、この場合５０ＭＨｚ／１００ｋＨｚで５００個のタップを生じる。１００マイクロメートル（ミクロン）の入射光束直径ＷOを与える結像光学系を有する系１２００に入射光束を導入することを選択したならば、出力カプラ鏡におけるビームレット間隔Δは、Δ≧πＷOすなわち約３１４ミクロンを上回る。Δを３５０ミクロンとすれば、出力カプラ鏡のアパーチャの幅ＮΔは１５７ｍｍである。この設計において、結像光学系１２０８は、多数の平行入射光束用に構成された公知の超微細装置１２０９へこれらのビームレットの１対１の結像を提供する。１２０１からの出射ビームレットは、公知の超微細装置１２０９への入射光束であると考えられる。公知の超微細装置は、１２０１ＯＴＤＬのＦＳＲすなわち５０ＭＨｚにほぼ等しい分解能を有するように設計されている。組み合わされた折り返しスペクトルアナライザ系１２００の（従って公知の超微細装置の）目標ＦＳＲは１０ＧＨｚであるように選択される。従って、タップ個数Ｎは、１０ＧＨｚ／５０ＭＨｚすなわち２００タップであり、１２０９の鏡分離は、ｃ／（２ＦＳＲ）すなわち約１５ｍｍである。フーリエ変換レンズ系１２１０は、有効焦点距離１５００ｍｍを有する。この組み合わされた構成により、１０ＧＨｚの明確なスペクトル分析帯域幅、１００ｋＨｚの分解能、１０ＧＨｚ／１００ｋＨｚすなわち１００，０００の時間帯域幅積（ＦＳＲ／ρ）、および１０マイクロ秒のアパーチャ時間１／ρが得られる。これらの組み合わされた性能パラメータは、他のどの公知の光学系でも実際には得ることができない。
【００７６】
入射光は以下のように系１２００を透過して追跡される。入射光束は、光ファイバ１２０７を介して導入される。結像光学系１２０６は入射した自由空間光束１２０５を、入力カプラプリズムを透過させて出力カプラ鏡１２０４の勾配反射面（キャビティ側）にある１００ミクロン光点に結像する。図５〜８を参照しつつ述べたように、ＯＴＤＬキャビティは出力カプラ鏡１２０４から複数のＭ出射ビームレットを生成し、これらは結像光学系１２０８の方へ誘導される。１２０１からのＭ個の複数のビームレットは、公知の超微細装置１２０９の入力側にＭ個の入射光束として結像される。公知の超微細装置は、各々の入射光束について、Ｎ個のビームレット、すなわち合計Ｍ×Ｎ個のビームレットを生成し、これらは（おそらくアナモルフィックな）フーリエ変換光学系１２１０の方へ誘導される。Ｍ×Ｎ個のビームレットの組は、複数の準連続波面（各々に伝播方向が関連付けられている）と見なすことができる。この場合、各波長について１個の波面が主入射光束１２０５内に存在する。フーリエ変換光学系は次いで、波面（特定の伝播方向を伴なう）を焦点面１２１３上の光点に変換する。焦点面上の光点は、付随する波面方向、従って波長に関連する特定の位置を有する。
【００７７】
焦点面内に、粗い（１２１２）および微細（１２１１）な周波数方向が存在するであろう。出射ビーム同士の間でＯＴＤＬ１２０１がより大きな時間遅延を有するため、焦点面内の水平方向に関連付けられたより大きな分解能、または周波数依存性が存在する。単一の波長を含む入射光束１２０５を考察する。当該光束は、１２０９の出力において単一の１次元の波面を、また１２０４の出力において単一の２次元波面を生成する。従って、名目的な単一光点が焦点面に生成されるであろう。入射波長が減少した（周波数が増大した）と仮定すると、光点は焦点面を大部分は水平に、且つ僅かに垂直に横断する。光点が焦点面の左端に達した場合、隣接する「順序付けられた」光点が右端に現われる。入射光の波長が減少し続けるため、焦点面上に形成された光点は、水平に対して僅かな角度（図１２の破線で示すように）で線を描く。
【００７８】
この２次元折り返しスペクトル分析システムは、多く方法で利用できる。二つの例として、光ファイバのアレイまたは検出器のアレイ焦点面に配置する場合がある。光ファイバの場合、各ファイバの位置に対応する波長を有する主入射光束１２０５からの光がファイバにより集められて送信される。検出器の場合、主入射光束１２０５からの光が、検出器の位置に対応する波長における光エネルギーを含んでいれば検出信号が生成される。
【００７９】
システム１２００の第２の例において、サブアセンブリ１２０１は５００ＭＨｚのＦＳＲ、１０ＭＨｚの分解能、および５０個のタップとして設計することができる。入射光束の直径は再び１００ミクロンに設定されている。この場合、これらのビームレットを公知の超微細装置上へ結像する２倍結像光学系が存在する。公知の超微細装置は、約１２ｍｍの鏡間隔を有するように設計されていて、１２．５ＧＨｚのＦＳＲ、１００ＭＨｚの分解能、および１２５個のタップを生成する。これは、１２．５ＧＨｚの分析帯域幅、１０ＭＨｚのチャネル帯域幅、１２５０の時間帯域幅積に等しい個数のチャネルを生成する。
【００８０】
本発明は、光信号の高スペクトル分解能、および光スペクトル分析に有用である。具体例として、分析目的のために、波長分割多重化システムの単一の波長チャネルの光スペクトルが利用できる光ファイバ電気通信システムを含んでいる。これは単一波長チャネルと呼ばれるものの、一旦情報を搬送波波長に符号化したならば、もはや純粋に単一波長ではない。これは実際には符号化信号情報に対応する搬送波に関する波長のスペクトルである。このような信号のスペクトル内容をスペクトル分析することが好適な場合が多い。現在利用できる市販光スペクトルアナライザは充分な分解能を備えていないため、これは不可能である。公知の光スペクトルアナライザの分解能は、数ギガヘルツ〜約１０ＧＨｚのオーダーであり、これでは光ファイバ通信信号の成分を微細に分解することはできない。本発明は、そのような信号の微細なスペクトル分析を可能にする。
【００８１】
信号情報は、さまざまな仕方で入射光束に重畳することができる。通常、光ファイバ通信システムで用いられる、モジュレータと呼ばれる別個の装置があってよい。本モジュレータは、電気信号、例えばデータ信号を受信して、当該信号を光搬送波に伝達したり、または光搬送波を電気データ情報と共に変調したりする。通常、モジュレータを用いて単一の波長ビーム、通常はレーザー光束上で情報を伝達することにより、当該光束は単一波長ではなく波長のスペクトルで構成される。電気信号の場合と同様に、情報変調された光搬送波または波長チャネルのスペクトルを分析する必要がある。関連するアプリケーションが、無線周波数すなわちレーダー信号または通信信号等のＲＦ信号のスペクトル分析にある。これは通常、軍事用であって、無線周波数領域にある広範なレーダーおよび通信信号をスペクトル分析する必要がある。これらの電気信号は、モジュレータにより光束上を伝達させて、当該光束を本発明によるセルに入射させることができる。他の光学系および検出器アレイ（例えば図２２）と共に、本発明のＯＴＤＬを用いて、これらの無線周波数が光搬送波に出現した際にスペクトル分析を実行することができる。従来の電子技術と比べて、より微細な分解能を有する、はるかに広いＲＦ帯域幅を分析することができる。
【００８２】
変型例
図１８に、入射光束をＯＴＤＬセルに導入するプリズム入力カプラの３種類の可能な例を示す。第１の例（１８１４）において、入射プリズムは出口、すなわち出力カプラ鏡（１８１０）の反射防止コーティング面（１８１６）に接触している。接触は、純粋に光学的な接触であっても、あるいは図示しない光接着剤を用いていてもよい。入射光束は、好適には対象の波長に対して反射防止コーティングされたプリズムの入射面１８１３を透過して光束を誘導することによりキャビティ（１８１０の左、但し図示せず）内へ導入される。光束は次いで、全内部反射または、斜辺に塗布された反射コーティングにより、プリズム（１８１５）の斜辺で反射される。光束は次いで、鏡の基板を透過して進み、好適には反射防止コーティングされたアパーチャ（１８１２）を透過し、そこで光束はキャビティに入射する。
【００８３】
第２の例（１８２４）において、入射プリズムは離れて、但しキャビティ出口、すなわち出力カプラ鏡（１８１０）の反射防止コーティング面（１８２６）の近くに保持される（図示せず）。好適には対象の波長に対して反射防止コーティングされたプリズム入射面１８２３を透過して光束を誘導することにより、入射光束がキャビティ（１８２０の左、但し図示せず）内へ導入される。光束は次いで、全内部反射、または斜辺に塗布された反射コーティングにより、プリズム（１８２５）の斜辺で反射される。次いで光束は鏡の基板を透過して進み、好適には反射防止コーティングされたアパーチャ（１８２２）を透過し、そこで光束はキャビティに入射する。
【００８４】
第３の例（１８３４）において、入射プリズムは出力カプラ基板の側面に接触している。入射光束は、好適には対象の波長に対して反射防止コーティングされたプリズム入射面１８３２の斜面へ光束を誘導することにより、キャビティ（１８３０の左、但し図示せず）内へ導入される。光束は直接キャビティに入射する。
【００８５】
必ずしも全ての例における入力カプラプリズムが、図１８に示唆されるように４５度の角度を有する対称なプリズムである必要がない点に注意されたい。プリズムの角度は、任意の角度から光束の入射を容易にするよう適宜選択することができる。実際に、第３の例の入力カプラプリズム（１８３２）の斜辺は、勾配コーティング面１８３１に対して僅かな角度しかなさないように選択することができる。これにより、ほぼ垂直な光束１８３１をキャビティ内へ反射させることができる。
【００８６】
入力カプラに対する別の変型例は全くプリズムを含まないものである。プリズムを使用しない方式の例として、出射カプリング鏡の右に配置された光を集中させるべく取付けられているか、または別々の手段を有する光ファイバがある。ファイバからの入射光束は、第１の例のアパーチャ１８１２の位置の近くにあるアパーチャを経てキャビティ内へ誘導される。設計者は、出力カプラ鏡から出て行くビームレットをファイバ入射アセンブリで妨害しないように留意する必要がある。
【００８７】
図２７に本発明の代替的な実施形態の例を示す。図に示す実施形態において、光タップ遅延線（ＯＴＤＬ）は、キャビティを形成している２個の球面鏡で構成されている。これは、図５、６、７および８に示すように、キャビティの中央にある結像レンズが除去できる利点がある。入射ガウシアン光束は、カプリングプリズムによりキャビティ内へ導入され、光束は次いで、図７に示したのと同様の仕方で、キャビティの各往復移動で反復されて、Ｎ個の出射ガウシアンビームレットを形成する。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】従来技術によるＯＴＤＬ装置の動作の例を示す側面図である。
【図２】従来技術によるＶＩＰＡ装置内での光束の拡散の例、および出射チャネルフィルタを成形すべく個々の光束に重み付けすることの困難さを示す構成図である。
【図３】従来技術による光タップ遅延線（ＯＴＤＬ）の例を示す構成図である。
【図４】従来技術によるＯＴＤＬへの単一の入射光束に対応する周波数方向に沿った光強度分布の例を示すグラフである。
【図５】本発明による光タップ遅延線（ＯＴＤＬ）の例を示す構成図である。
【図６】本発明によるＯＴＤＬセルを透過する光束の主光線の１本の可能な経路の例を示す構成図である。２面反射器がＦ１とＦ２を軸上で一致させる。
【図７】本発明による入射光束の反復である出射ガウシアンビームレットの合致した組を示すＯＴＤＬセルの結果として生じる出射の例を示す構成図である。
【図８】本発明によるＯＴＤＬセルを透過する光束の主光線の可能な代替的経路の例を示す構成図である。
【図９】単一入射構成である従来技術による装置の機能的動作の例を示す模式的ブロック図である。
【図１０】従来技術によるＯＴＤＬ装置のチャネルの光周波数応答の例を示すグラフである。
【図１１】光学系および出射面における出射素子を含む、単一入射構成である従来技術による装置の機能的動作の例を示す模式的ブロック図である。
【図１２】極めて大きな時間帯域幅積の２次元（２Ｄ）折り返しスペクトルアナライザの設計の例を示す構成図である。
【図１３】大きな時間帯域幅積の２次元（２Ｄ）の折り返しスペクトルアナライザまたはチャネル化装置の設計の第２の例を示す構成図である。「狭帯域フローリックセル」とラベル付けされたサブアセンブリは、本発明によるＯＴＤＬを表わす。図１２、１３に、光ファイバ電気通信システムにおけるスペクトル分析、チャネル化、および発散補償を含むがこれに限定されない各種のアプリケーションに利用できる汎用２次元構成の例を示す。
【図１４】従来技術によるファブリペロー干渉計の例を示す構成図である。
【図１５】従来技術による平面導波路が一体化された光マルチプレクサおよびデマルチプレクサ装置の例を示す構成図である。
【図１６】従来技術による光ファイバを用いた光タップ遅延線スペクトルアナライザの例を示す構成図である。
【図１７ａ】実際の実験の例を示す図表であって、市販の部品および標準的な光学アセンブリ技術を用いた実装方式を示す写真である。
【図１７ｂ】実際の実験の例を示す図表であって、本発明によるＯＴＤＬスペクトルアナライザで得られた実際の実験データの例を示す写真図であり、ＯＴＤＬの出射でカメラを用いて８個の出射ビームレットが撮影されている。
【図１７ｃ】実際の実験の例を示す図表であって、本発明によるＯＴＤＬスペクトルアナライザで得られた実際の実験データの例を示すグラフであり、焦点面にあるカメラが光の出射を位置の関数として測定する。
【図１８】ＯＴＤＬセル内に入射光束を導くプリズム入力カプラの４種の可能な実施形態の例を示す構成図である。
【図１９】本発明の例を基本スペクトルアナライザまたはチャネル化装置プロセッサとして示す構成図である。
【図２０ａ】反射モードチャネル化装置としての本発明による例を示す構成図である。本実施形態において、反射モードは、出力チャンネルの各々において平頂で裾が狭いフィルタ応答を生じる。同一構成をわかりやすく３次元図で示す。
【図２０ｂ】反射モードチャネル化装置としての本発明による例を示す構成図である。本実施形態において、反射モードは、出力チャンネルの各々において平頂で裾が狭いフィルタ応答を生じる。同一構成をわかりやすく上面図で示す。
【図２０ｃ】反射モードチャネル化装置としての本発明による例を示す構成図である。本実施形態において、反射モードは、出力チャンネルの各々において平頂で裾が狭いフィルタ応答を生じる。同一構成をわかりやすく側面図で示す。
【図２１ａ】反射モード帯域通過フィルタとしての本発明による例を示す構成図である。本実施形態において、焦点面における多部品鏡センブリがフィルタリング用のスペクトル部品を選択する。同一構成をわかりやすく３種類の図、ａ）３次元図、ｂ）上面図、およびｃ）側面図で示す。
【図２１ｂ】反射モード帯域通過フィルタとしての本発明による例を示す構成図である。本実施形態において、焦点面における多部品鏡センブリがフィルタリング用のスペクトル部品を選択する。同一構成をわかりやすく３次元図で示す。
【図２１ｃ】反射モード帯域通過フィルタとしての本発明による例を示す構成図である。本実施形態において、焦点面における多部品鏡センブリがフィルタリング用のスペクトル部品を選択する。同一構成をわかりやすく上面図で示す。
【図２２ａ】多入射スペクトルアナライザとしての本発明による例を示す構成図である。本実施形態において、検出器アレイまたはファイバアレイが焦点面に配置されていてよい。同一構成をわかりやすく側面図で示す。
【図２２ｂ】多入射スペクトルアナライザとしての本発明による例を示す構成図である。本実施形態において、検出器アレイまたはファイバアレイが焦点面に配置されていてよい。同一構成をわかりやすく側面図で示す。
【図２２ｃ】多入射スペクトルアナライザとしての本発明による例を示す構成図である。本実施形態において、検出器アレイまたはファイバアレイが焦点面に配置されていてよい。同一構成をわかりやすく側面図で示す。
【図２３】出力鏡および空間光変調器がモノリシック構造で一体化されている本発明による例を示す構成図である。
【図２４】光信号処理アプリケーション用の汎用アーキテクチャにおける本発明による例を示す構成図である。
【図２５】
【図２６】光通信リンク上の安全な送信のため反射モードの高スペクトル分解能信号エンコーダとして本発明による例を示す構成図である。
【図２７】本発明による代替的な一例を示す構成図である。図に示す実施形態において、光タップ遅延線（ＯＴＤＬ）が、キャビティを形成する２個の球面鏡で構成されている。これには、図５、６、７および８に示すように、キャビティの中央に置かれた結像レンズを除去できる利点がある。カプリングプリズムにより入射ガウシアン光束をキャビティに導入することができ、次いで光束は図７に示すものと同様の方法で、Ｎ個の出力ガウシアンビームレットの組を形成すべくキャビティの各往復移動で反復される。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７ａ】
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【図１７ｂ】
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【図１７ｃ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０ａ】
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【図２０ｂ】
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【図２０ｃ】
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【図２１ａ】
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【図２１ｂ】
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【図２１ｃ】
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【図２２ａ】
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【図２２ｂ】
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【図２２ｃ】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【国際調査報告】
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