(57)【要約】【課題】光信号、電気信号の相互変換を必要としない、光信号の伝播方向を変更する光学システムを提供する。【解決手段】本発明による光変調器は、光信号を伝搬する光学媒体を含む。格子サイトのアレイは、光学媒体内に配置されており、格子サイトの少なくともいくつかは、光学媒体の屈折率とは相違した屈折率を示す。少なくとも第１の前記格子サイトは、光学媒体に対して相対的に可動な第１の光学構成要素を組込んでいる。光学媒体に対して相対的な第１の光学構成要素の動きによって、光学媒体の伝搬特性を変化することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学媒体及び格子サイトのアレイを有する光変調器からなる光信号を伝搬する光学システムであって、前記光学媒体が、光信号を伝搬するように動作し、格子サイトの前記アレイが、前記光学媒体に配置されており、前記格子サイトのうちの少なくともいくつかは前記光学媒体の屈折率とは相違した屈折率を示し、第１の前記格子サイトが、前記光学媒体に対して相対的に可動の第１の光学構成要素を含み、前記光学媒体に対して相対的な前記第１の光学構成要素の動きが、前記光学媒体を通る光信号の伝搬を変化するようにすることを特徴とする光信号を伝搬する光学システム。
【請求項２】
格子サイトの前記アレイが、前記光学媒体の少なくとも一部を通る第１の光経路を定義し、
前記第１の光学構成要素が、第１の位置と第２の位置との間で可動であり、かつ前記第１の位置において、前記第１の光学構成要素は、前記光信号の少なくとも一部が前記光経路の全体に沿って伝搬するのを防止することを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
【請求項３】
前記第１の位置において、前記第１の光学構成要素が、前記光信号をフィルタ処理し、少なくとも１つの前記光信号のうち選ばれた周波数の光が、前記光経路の全体に沿って伝搬するのを防止されることを特徴とする請求項２に記載の光学システム。
【請求項４】
格子サイトの前記アレイが、前記光学媒体の少なくとも一部を通して第２の光経路を定義し、　前記第１の位置において、前記第１の光学構成要素が、前記光信号の少なくとも前記部分を前記第２の光経路に沿って伝搬するように再方向付けすることを特徴とする請求項２に記載の光学システム。
【請求項５】
前記第２の位置において、前記第１の光学構成要素が、光信号を前記第１の光経路の全体に沿って伝搬できるようにすることを特徴とする請求項２に記載の光学システム。
【請求項６】
前記第１の光学構成要素の屈折率が、前記光学媒体に対して相対的な前記第１の光学構成要素の動きの方向に対して変化することを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
【請求項７】
前記光学媒体に対して相対的に前記第１の光学構成要素を動かすために動作的に配置されたアクチュエータを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
【請求項８】
光信号を伝搬するように動作する光学媒体を設けることからなり、前記光学媒体が、ここに配置された格子サイトのアレイを有し、前記格子サイトの少なくともいくつかが、前記光学媒体の屈折率より低い屈折率を示し、第１の前記格子サイトが、前記光学媒体を通る光信号の伝搬に影響を及ぼすように動作する第１の光学構成要素を含み、かつ
前記光学媒体を通る前記光信号の前記伝搬を変えるために、前記第１の光学構成要素と前記光学媒体とを互いに相対的に動かすことからなることを特徴とする、光信号を変調する方法。
【請求項９】
前記第１の光学構成要素及び前記光学媒体を動かすことが、前記第１の第１の光学構成要素を動かすことからなることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
更に前記光学媒体において光信号を受信し、かつ受信された前記光信号を選択的に再方向付けすることからなることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に光学システムに関し、特に、光学媒体を通過する光信号の伝搬を変えるために可動型の光学構成要素を利用する、システム及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通信システムのデータ取扱い容量を増加する要求の結果として、光通信システムを利用する傾向がある。典型的な光通信システムにおいて、入力電気信号は、光源を制御するドライバに供給される。それから光源によって発生される光信号は、光ファイバのような種々の光伝送媒体を通して経路を決められる。最終的に光信号は、それらの意図される目的先において利用するために、出力電気信号に変換される。
【０００３】
多くの場合、光信号の経路形成は、光信号を電気信号に変換し、かつそれから電気信号を再方向付けすることにより行われる。例えば電気パケットスイッチは、複数の入力に相当する電気信号を選ばれたスイッチ出力に方向付けるために利用することができる。それから再方向付けされた電気信号は、更に伝搬するために光信号に変換される。
【０００４】
一方で、フォトニック結晶を利用した光デバイスも研究開発されており、光通信を含む種々の分野での応用が期待されている。フォトニック結晶を利用したデバイスについては、以下の各文献にその例が記載されるが、これらの文献は、後述の実施形態においても参照される。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６，１７５，６７１号
【特許文献２】米国特許第５，６５１，８１８号
【特許文献３】米国特許第５，９９８，２９８号
【特許文献４】米国特許第５，７８４，４００号
【特許文献５】米国特許第５，３８９，９４３号
【非特許文献１】Ｊ．Ｄ．Ｊｏａｎｎｏｐｏｕｌｏｕｓ他著、“Ｐｈｏｔｏｎｉｃ　Ｃｒｙｓｔａｌｓ：Ｍｏｕｌｄｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｆｌｏｗ　ｏｆ　Ｌｉｇｈｔ”第５章、（Ｐｒｉｎｓｔｏｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｐｒｅｓｓ，１９９５）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
種々の理由のため、光通信システムを介して伝搬する光信号を光学領域内に維持することは望ましい。例えば光信号から電気信号へかつそれから再び逆に変換することは、しばしば結果として、信号の損失及び／又はひずみを生じる。残念ながら光信号を光学領域内において操作するために利用することができる光スイッチのような光学構成要素を開発することは困難であると考えられている。特にコンパクトな、高速データ伝送の可能な及び／又は比較的低損失の光学構成要素を提供することは、困難であった。従って、かかる欠点を克服するシステム及び方法に対する要求が存在することは明らかである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一般に光学媒体を通る光信号の伝搬を変更するための可動型の光学構成要素の利用に関する。更に特定すれば、可動の光学構成要素は、光学媒体の格子サイトに組合わされ、かつ光学媒体内に形成された光伝送路の伝搬特性に影響を及ぼす。特に光学構成要素が、配置された光学媒体に対して相対的に、少なくとも１つの光学構成要素を動かすことによって、光学媒体の少なくとも第１の伝搬特性を変化することができる。
【０００８】
本発明による光変調器は、光信号を伝搬する光学媒体を含む。格子サイトのアレイは、光学媒体内に配置されており、格子サイトの少なくともいくつかは、光学媒体の屈折率とは相違した屈折率を示す。少なくとも第１の前記格子サイトは、光学媒体に対して相対的に可動な第１の光学構成要素を組込んでいる。光学媒体に対して相対的な第１の光学構成要素の動きによって、光学媒体の伝搬特性を変化することができる。
【０００９】
本発明による光信号を変調する方法は格子サイトのアレイを有する光学媒体を設け、格子サイトの少なくともいくつかが、光学媒体の屈折率とは相違した屈折率を示し、第１の格子サイトが、光学媒体を通って伝搬する光信号の伝搬に影響を及ぼすように動作する第１の光学構成要素を含むこと、かつ光学媒体の少なくとも第１の伝搬特性を変えるために、光学媒体に対して相対的に第１の光学構成要素を動かすことを含んでいる。
【００１０】
更に、次の図面及び詳細な説明を考察すれば、本発明のその他の装置、システム及び方法は、当業者にとって明らかになり、又は明らかにすることができる。この説明に含まれるこのようなすべての追加的な装置、システム、方法、特徴及び／又は利点は、本発明の権利範囲内にあるものとし、かつ添付の特許請求の範囲によって保護されるものとする。
【００１１】
図面を引用することによって本発明は更に良く理解することができる。図面における構成要素は、必ずしも正確な寸法とされておらず、本発明の特徴が明らかになるように図示するために、一部強調されている箇所も含む。更に、図面において共通する参照符号は、複数の図面にわたって共通して対応する部分を示している。
【００１２】
【発明の実施の形態】
ここに詳細に説明するように、本発明によるシステム及び方法は、光信号の伝搬を変えるための光変調器の利用を含んでいる。特に、本発明による光変調器は、少なくとも１つの可動の光学構成要素と光学的に通信する（即ち、光学的な相関を有する）光学媒体を組込んでいる。光学媒体に対して相対的に光学構成要素を動かすことによって、光学媒体によって定義される光経路は、光学媒体を通して伝搬する光信号の選択的な変調を達成するように変化することができる。典型的には、光変調器は、フォトニック結晶を利用して構成される。以下の実施形態の一例は、フォトニック結晶を利用した２次元の光導波路を利用して構成することができる。
【００１３】
図面によれば、図１は、本発明による光学システム１０を示す略図である。光学システム１０は、説明を容易にするためにその一部だけを示した光変調器１００を含む。光変調器１００は、光学媒体１０２を含み、この光学媒体内に複数の格子サイト、例えばサイト１０４、１０６及び１０８が配置されている。一般にそれぞれの格子サイトは、光学媒体を形成する材料とは異なった屈折率、例えばそれより低い屈折率を示す材料から形成されている。
【００１４】
少なくとも１つの格子サイト、例えばサイト１０８は、可動の光学構成要素１１０を含んでおり、この光学構成要素は、光学媒体に対して相対的に動くことができる。更に具体的には、光学構成要素は、光学構成要素が光学的に光学媒体と通信する第１の位置と光学構成要素が光変調器の伝搬特性を変える第２の位置との間において、選択的に動くことができる。例えば、光学構成要素がもはや光学媒体と光学的に通信しないように、第２の位置を選択することができる。他の実施形態では、第２の位置は、光学構成要素の一部分だけが光学媒体と光学的に通信しないような位置として定義することができる。
【００１５】
一例として、光学媒体及び格子サイトは、光経路１２０を定義する。光経路１２０は、光変調器の第１の経路位置１３０において入力光信号１２５を受信し、かつ第２の経路位置１４０において出力光信号１３５を供給する。格子サイトは、光学媒体の平らな範囲に対して平行な方向における光信号の伝搬に対してフォトニックバンドギャップが存在するように配置されている。このバンドギャップは、格子サイトによって定義される光経路に沿った光信号の伝送を容易にする。即ち、光学構成要素が第１の位置に置かれたとき、光経路は、第１の経路位置から第２の経路位置へ光信号を伝搬することに注意する。
【００１６】
図２に示すように、光学媒体１０２は、それぞれ第１及び第２の基板２１０及び２１２の間にサンドイッチされている。それぞれの基板は、光学媒体のバルク特性より低い屈折率を示す。このことは、光信号を光学媒体の平らな範囲に閉じ込めることを可能にする。更に具体的には、光信号は、基板と光学媒体との間の境界面における内部反射による案内によって、光学媒体の平面に対して垂直な方向に閉じ込められる。
【００１７】
図３に示すように、それぞれの格子サイトは、光学構成要素を、例えばそれぞれ構成要素３１０、３１２、３１４及び３１６を含む。光学構成要素は、一般に材料の円筒形の柱から形成されている。光学構成要素と光学媒体との間に形成される境界面と光信号の相互作用は、光変調器によって受信された光信号の伝搬に影響を及ぼす。例えば図１の態様において、種々の材料の屈折率の相互作用は、光経路１２０に沿った入力光信号の伝搬を促進する。
【００１８】
図３の格子サイトの光学構成要素は、２次元の正方形状に配置されている。しかしながら１次元、３次元、長方形、円、曲線、直線及び／又は不規則な形状を含むその他の形状も利用することができる。更に、格子サイトは、光学媒体に１つ以上のそれぞれを種々の形状で設けられる光伝送路を形成するように配置することができる。
【００１９】
図４において、格子サイト１０８に関連する可動の光学構成要素は、第２の位置に動かされている。特に、その光学構成要素は、光学構成要素の少なくとも一部がもはや光学媒体１０２と光学的に通信されない位置まで動かされている。可動の光学構成要素の再配置は、光変調器の少なくとも１つの伝搬特性を変化する。例えば、光変調器の伝搬経路、及び／又は光変調器によって伝搬する光信号の振幅及び／又は波長を変えることができる。例えば、図４の態様において、入力光信号１２５は、光変調器を越えて伝搬することを防止されている。したがって図４の態様は、光スイッチとして動作することができる。
【００２０】
図５は、図１及び図４に示した光変調器の態様の機能を示すフローチャートである。図５に示すように、機能（又は方法）１００は、ブロック５１０において始まるように解釈され、ここにおいて格子サイトのアレイを有する光学媒体が設けられる。特に、それぞれの格子サイトは、光学媒体のものと異なった屈折率を示す光学構成要素に関連することができる。ブロック５２０において、少なくとも１つの光学構成要素の位置が変えられる。更に具体的には、１つ（又は複数）の光学構成要素は、光学媒体を通る光の伝搬を変えるために再配置できる。
【００２１】
前述のように、本発明による光変調器の光学構成要素及び光学媒体のうちの少なくとも一方は、互いに相対的に可動である。例えば、光学構成要素は可動であるが、その一方で光学媒体は定置になっている。追加的に又はその代わりに、光学媒体は可動とされるが、その一方で１つ以上の光学構成要素が定置とされる。
【００２２】
図６における態様において、光変調器１００は、可動の光学構成要素６０２及び光学媒体６０４を含む。光学媒体は、格子サイト６０８に配置された空洞６０６を含む。その空洞は、光学構成要素６０２の少なくとも一部を収容するような寸法及び形になっている。光学構成要素６０２は、光学媒体のバルク特性のものとは相違した屈折率を示す材料、例えば誘電体材料の柱として形成されている。
【００２３】
アクチュエータ６１２は、光学構成要素６０２を動かし、例えば空洞内へかつ／又はここから外へ光学構成要素を動かす。一例としてアクチュエータ６１２は、ＭＥＭＳ技術等を利用して製造可能である。光学構成要素６０２は、空洞の軸線６１４に沿って空洞内において並進運動することができる。図６の空洞の軸線６１４及び光学構成要素の長手軸線６２０が互いに実質的に並行に向けられていることに注意する。別の態様において、軸線は実質的に並行でなくともよい。
【００２４】
アクチュエータ６１２によるような機械的なアクチュエータに加えて、動作の別の源を利用されることに注意する。更に、そのアクチュエータは、どうしても可逆的である必要はない。例えば、光学構成要素は、光変調器の光学特性が適当に同調されるまで動けばよい。一度同調すると、光学構成要素は、その位置に一時的に又は永久的に維持することができる。
【００２５】
ある種の態様において、光学構成要素は、空洞内において回転することができる。このような態様において、光学構成要素の光学特性は、その周の回りにおいて変化することができるので、光学構成要素の回転は、光変調器の少なくとも第１の伝搬特性を変化する。別の態様において、光学構成要素の光学特性は、構成要素の長さに沿って、かつ／又は光学構成要素の動きの方向に沿って変化することができる。この特徴の例は、図７に示されている。
【００２６】
図７に示すように、光学構成要素７００は、多数の部分、例えば部分７０２及び７０４を含む。これらそれぞれの部分は、異なった光学特性を示す。例えば部分７０２は、部分７０４の材料により示される屈折率より低い屈折率を示す。
【００２７】
図８に示すように、光学構成要素７００は、格子サイトに配置された空洞８０２内に挿入することができる。特に光学構成要素は、第１の位置８０４に配置されているので、部分７０２の少なくとも一部は、光学媒体８０６と光学的に通信している。第１の位置に配置されていることによって、光変調器は、第１の設定の伝搬特性を示す。
【００２８】
それに反して光学構成要素７００を第２の位置９０２（図９）に動かすと、光変調器は、第２の設定の伝搬特性を示すようにされる。特に、第２の位置９０２は、部分７０４の少なくとも一部が光学媒体８０６と光学的に通信することに相当する。ある種の態様においては、第２の位置は、部分７０４の一部及び部分７０２の一部が光学媒体と光学的に通信することを含むことができる。
【００２９】
特定の態様では、光学構成要素の第３の位置が設けられている。例えばこのような第３の位置は、光学媒体と光学的性能上関係しない光学構成要素に相当することができる。明らかに光変調器によって示すように望まれる伝搬特性に依存して、その他の種々の位置を利用することができる。
【００３０】
光学システム１０の別の態様は、図１０に概略的に示されている。図１０に示すように、少なくとも１つの光変調器１００が設けられており、この光変調器は、入力伝送媒体、例えば媒体１００２ｉ−１００２ｎ、及び出力伝送媒体、例えば媒体１００４ｉ−１００４ｎと光学的に通信する。図１０の光学システムが、１つ以上の光信号を受信し、変化し、かつそれからそれ以上の伝搬のために１つ以上の出力伝送媒体に選択的に供給する種々の用途に適用できることが認識される。したがって光変調器は、光マトリクススイッチとして構成することができる。
【００３１】
フォトニック結晶についてのそれ以上の情報のために、例えば引用例としてここに組込まれるロバーツの米国特許第６，１７５，６７１号明細書を参照されたい。Ｊ．Ｄ．Ｊｏａｎｎｏｐｏｕｌｏｕｓ他著、“Ｐｈｏｔｏｎｉｃ　Ｃｒｙｓｔａｌｓ：Ｍｏｕｌｄｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｆｌｏｗ　ｏｆ　Ｌｉｇｈｔ”第５章、（Ｐｒｉｎｓｔｏｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｐｒｅｓｓ，１９９５）；Ｍｉｌｓｔｅｉｎ他の米国特許第５，６５１，８１８号明細書；Ｆｌｅｍｉｎｇ他の米国特許第５，９９８，２９８号明細書；Ｊｏａｎｎｏｐｏｕｌｏｕｓ他の米国特許第５，７８４，４００号明細書；及びＢｒｏｍｍｅｒ他の米国特許第５，３８９，９４３号も、引用例として組込まれる。
【００３２】
前記の説明は、例示及び説明のために提供されている。開示された精密な形を余すところなく示し又は本発明をこれに制限するものではない。前記の教えに照らして変形又は変更が可能である。しかしながら議論した１つ又は複数の態様は、本発明の基本方式を例示するために選ばれかつ説明され、かつそれによりその実際の適用により、当業者は、考慮された特定の利用に適するように、種々の態様においてかつ種々の変更によって、本発明を利用することができる。
【００３３】
例えば、ある種の態様において、光学構成要素は、円筒形以外の形に形成することができる。例えば半円形及び／又は長方形が利用できる。同様に、ある種の態様において、球形、半球形、円板、長方形及び／又は平面及び非平面形のような非柱形を利用することができる。このようなすべての変形及び変更は、公正かつ法的に権限を与えられた広さにしたがって解釈したとき、添付の特許請求の範囲によって定義されるような本発明の権利範囲内にある。
【００３４】
本発明は、光学媒体（１０２）及び格子サイト（１０４）のアレイを有する光変調器（１００）からなる光信号を伝搬する光学システムであって、前記光学媒体が、光信号を伝搬するように動作し、格子サイトの前記アレイが、前記光学媒体に配置されており、前記格子サイトのうちの少なくともいくつかは前記光学媒体の屈折率とは相違した屈折率を示し、第１の前記格子サイトが、前記光学媒体に対して相対的に可動の第１の光学構成要素（１１０）を含み、前記光学媒体に対して相対的な前記第１の光学構成要素の動きが、前記光学媒体を通る光信号の伝搬を変化するようにすることを特徴とする光信号を伝搬する光学システム（１０）を提供する。
【００３５】
好ましくは、格子サイトの前記アレイが、前記光学媒体の少なくとも一部を通る第１の光経路（１２０）を定義し、その際、前記第１の光学構成要素が、第１の位置と第２の位置との間において可動であり、かつその際、前記第１の位置において、前記第１の光学構成要素は、前記光信号の少なくとも一部が、前記光経路の全体に沿って伝搬するのを防止する。
【００３６】
好ましくは、前記第１の位置において、前記第１の光学構成要素が、前記光信号をフィルタ処理し、少なくとも１つの前記光信号のうち選ばれた周波数の光が、前記光経路の全体に沿って伝搬するのを防止される。
【００３７】
好ましくは、格子サイトの前記アレイが、前記光学媒体の少なくとも一部を通して第２の光経路を定義し、かつその際、前記第１の位置において、前記第１の光学構成要素が、前記光信号の少なくとも前記部分を前記第２の光経路に沿って伝搬するように再方向付けする。
【００３８】
好ましくは、前記第２の位置において、前記第１の光学構成要素が、光信号を前記第１の光経路の全体に沿って伝搬できるようにする。
【００３９】
好ましくは、前記第１の光学構成要素の屈折率が、前記光学媒体に対して相対的な前記第１の光学構成要素の動きの方向に対して変化する。
【００４０】
好ましくは、前記光学媒体に対して相対的に前記第１の光学構成要素を動かすために動作的に配置されたアクチュエータ（６１２）を更に含む。
【００４１】
更に、本発明は、光信号を伝搬するように動作する光学媒体（１０２）を設けることからなり、前記光学媒体が、ここに配置された格子サイト（１０４）のアレイを有し、前記格子サイトの少なくともいくつかが、前記光学媒体の屈折率より低い屈折率を示し、第１の前記格子サイトが、前記光学媒体を通る光信号の伝搬に影響を及ぼすように動作する第１の光学構成要素（１１０）を含み、かつ前記光学媒体を通る前記光信号の前記伝搬を変えるために、前記第１の光学構成要素と前記光学媒体とを互いに相対的に動かすことからなる方法を提供する。
【００４２】
好ましくは、前記第１の光学構成要素及び前記光学媒体を動かすことは、前記第１の光学構成要素を動かすことのみからなる。
【００４３】
好ましくは、更に前記光学媒体において光信号（１２５）を受信し、かつ受信された前記光信号を選択的に再方向付けすることからなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光学システムの態様の略図である。
【図２】本発明による光変調器の態様の略図である。
【図３】図２の光変調器のいくつかの格子サイトの略図である。
【図４】図１の光学システムの略図である。
【図５】図１の光変調器の機能性を示すフローチャートである。
【図６】本発明による光変調器の態様のいくつかの格子サイトの略図である。
【図７】本発明による可動の光学構成要素の別の態様の略図である。
【図８】本発明による光変調器の別の態様のいくつかの格子サイトの略図である。
【図９】本発明による光変調器の別の態様のいくつかの格子サイトの略図である。
【図１０】本発明による光学システムの別の態様の略図である。
【符号の説明】
１０　光学システム
１００　光変調器
１０２　光学媒体
１０４　格子サイト
１１０　光学構成要素
１２０　光経路
１２５　光信号
６１２　アクチュエータ
【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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