(57)【要約】  本発明は、周波数選択電気光学ソースの設計および動作に関する。本発明の一実施形態によれば、電気光学ソースは、光信号発生器と、光回路と、少なくとも１つの光学／電気変換器とを備えており、光信号発生器は、別個の出力周波数によって特徴付けられる複数の光出力を備えており、光回路は、変調光信号を発生するために、周波数別個光出力のうち異なる出力の選択および組み合わせを可能とするように構成されており、変調光信号をミリメートル波またはサブミリメートル波に変換する。その他の実施形態も開示し、特許請求する。【選択図】      図２Ａ
2010509611.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号発生器と、光回路と、少なくとも１つの光学／電気変換器とを備えた電気光学ソースであって、少なくとも、
前記光信号発生器が、別個の出力周波数によって特徴付けられる複数の光出力を備えてること、
前記光回路が、少なくとも約３０ＧＨｚの変調周波数によって特徴付けられる変調光信号を発生するために、前記光信号発生器の周波数別個光出力のうち異なる出力の選択および組み合わせを可能にするように構成されること、
前記光回路が、更に、少なくとも１つの光学／電気変換器に前記変調光信号を導くように構成されること、
前記光学／電気変換器が、前記変調光信号をミリメートル波またはサブミリメートル波に変換するように構成されること、
という条件に該当する構造とした、電気光学ソース。
【請求項２】
請求項１記載の電気光学ソースにおいて、
前記光信号発生器は、約１ＧＨｚよりも高い周波数で駆動信号によって変調される電気光学領域を備えており、
前記光信号発生器は、前記光信号発生器の光出力を特徴付ける前記別個の周波数が前記駆動信号の前記周波数の関数として変動するように構成された、電気光学ソース。
【請求項３】
請求項１記載の電気光学ソースであって、更に、前記光回路に動作的に結合されたプログラマブル・コントローラを備えており、該コントローラは、周波数走査される変調光信号を発生するために、前記光回路に、前記光信号発生器の周波数別個光出力から異なる出力を選択させ、組み合せさせるようにプログラムされた、電気光学ソース。
【請求項４】
請求項１記載の電気光学ソースであって、更に、前記光信号発生器の電気光学領域に動作的に結合されたプログラマブル・コントローラを備えており、
前記電気光学領域は、約１ＧＨｚよりも高い周波数で駆動信号によって変調され、
前記光信号発生器は、前記光信号発生器の光出力を特徴付ける前記別個の周波数が前記駆動信号の前記周波数の関数として変動するように構成されており、
前記コントローラは、周波数走査される変調光信号を発生するために、前記駆動周波数を変化させるようにプログラムされた、電気光学ソース。
【請求項５】
請求項１記載の電気光学ソースであって、更に、前記光回路と前記光信号発生器の電気光学領域とに動作的に結合されたプログラマブル・コントローラを備えており、
前記電気光学領域は、約１ＧＨｚよりも高い周波数で駆動信号によって変調され、
前記光信号発生器は、前記光信号発生器の光出力を特徴付ける前記別個の周波数が前記駆動信号の前記周波数の関数として変動するように構成されており、
前記コントローラは、周波数走査される変調光信号を発生するために、前記駆動周波数を変化させ、前記光回路に、前記光信号発生器の前記周波数別個光出力から異なる出力を選択させ、組み合せさせるようにプログラムされた、電気光学ソース。
【請求項６】
請求項１記載のシステムにおいて、前記光回路は、前記周波数別個光出力の異なる組み合わせを共通光学／電気変換器に導くように構成された、システム。
【請求項７】
請求項１記載のシステムにおいて、前記光回路は、前記周波数別個光出力の異なる組み合わせを複数の異なる光学／電気変換器に導くように構成された、システム。
【請求項８】
請求項１記載のシステムにおいて、前記光回路は、前記光学／電気変換器に導く前に、前記変調光信号をエンコードするように構成された、システム。
【請求項９】
請求項１記載のシステムにおいて、前記光信号発生器は、電気光学側波帯発生器と、光学フィルタとを備えた、システム。
【請求項１０】
請求項９記載のシステムにおいて、
前記電気光学側波帯発生器は、入力光信号のキャリア周波数を中心とする周波数側波帯を発生するように構成されており、
前記光学フィルタは、前記周波数側波帯と前記キャリア周波数との間で弁別を行うように構成された、システム。
【請求項１１】
請求項１０記載のシステムにおいて、前記光信号発生器は、更に、特定の対象側波帯を光出力に、ミリメートル波光信号の形態で導くように構成された光回路を備えた、システム。
【請求項１２】
請求項９記載のシステムにおいて、
前記側波帯発生器は、位相変調器を含み、該位相変調器は、光導波路と、前記光信号のキャリア周波数を中心とする周波数側波帯を発生するために、Ｖπよりも実質的に大きな制御電圧で前記側波帯発生器を駆動するように構成された変調コントローラとを備えており、Ｖπは、前記光導波路においてπの位相シフトを誘起する電圧を表し、
前記光フィルタは、対象の側波帯を前記光信号発生器の光出力に導くことができるように、前記周波数側波帯と前記キャリア周波数との間で弁別を行うように構成された、システム。
【請求項１３】
請求項９記載のシステムにおいて、
前記側波帯発生器は、デバイス基板上に形成されており、前記光信号のキャリア周波数を中心とする周波数側波帯を発生するように構成されており、
前記光フィルタは、前記デバイス基板上に形成されており、対象の側波帯を前記光出力に導くことができるように、前記周波数側波帯と前記キャリア周波数との間で弁別を行うように構成された、システム。
【請求項１４】
請求項９記載のシステムにおいて、前記電気光学側波帯発生器は電気光学干渉計を備えており、前記光学フィルタはアレイ状導波路格子を備えた、システム。
【請求項１５】
請求項１４記載のシステムにおいて、前記光回路は、前記変調光信号を発生するために、前記アレイ状導波路格子の選択した光出力を組み合わせるように構成された、システム。
【請求項１６】
請求項１記載の電気光学ソースにおいて、前記光信号発生器は、チューニング可能なレーザを備えた、電気光学ソース。
【請求項１７】
請求項１６記載の電気光学ソースにおいて、前記光信号発生器は、前記光信号発生器の光出力を特徴付ける前記別個の周波数が、前記チューニング可能レーザの動作波長の関数として変動するように構成された、電気光学ソース。
【請求項１８】
光信号発生器と、光回路と、少なくとも１つの光学／電気変換器とを備えた電気光学ソースであって、少なくとも、
前記光信号発生器が、別個の出力周波数によって特徴付けられる複数の光出力を備えること、
前記光信号発生器が、約１ＧＨｚよりも高い周波数で駆動信号によって変調される電気光学領域を備えること、
前記光信号発生器が、前記光信号発生器の光出力を特徴付ける前記別個の周波数が、前記駆動信号の周波数の関数として変動するように構成されること、
前記光回路が、更に、前記変調光信号を少なくとも１つの光学／電気変換器に導くように構成されること、
前記光学／電気変換器が、前記変調光信号をミリメートル波またはサブミリメートル波に変換するように構成されること、
という条件に該当する構造とした、電気光学ソース。
【請求項１９】
請求項１記載の電気光学ソースであって、更に、前記光信号発生器の電気光学領域に動作的に結合されたプログラマブル・コントローラを備えており、該コントローラは、前記光信号発生器の電気光学領域を変調する前記駆動信号の周波数を変化させるようにプログラムされた、電気光学ソース。
【請求項２０】
請求項１記載の電気光学ソースであって、更に、前記電気光学領域に光学的に結合されたチューニング可能なレーザを備えた、電気光学ソース。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、視野内における物体を検知、特定、位置検出、撮像、または他の方法で検出するためのミリメートルおよびサブミリメートル波の利用に関する。更に特定すれば、本発明は、１つ以上のポータルを通過する特定的種類の物体の存在を検出するためにミリメートル波およびサブミリメートル波を利用するポータル・システムの設計に関する。
【発明の概要】
【０００２】
本発明の一実施形態によれば、ミリメートルまたはサブミリメートル波ポータル・システムを提供する。一般に、ポータル・システムは、電気光学ソースと、１つ以上のミリメートル波またはサブミリメートル波検出器とを備えている。電気光学ソースは、光信号発生器と、光スイッチングおよびエンコーディング回路と、１つ以上の光学／電気変換器とを備えている。追加の実施形態も開示し、特許請求する。
【０００３】
また、本発明は、前述のセキュリティ・ポータルの実施形態を超えた利用価値を有する周波数選択電気光学ソースの設計および動作に関する。本発明の一実施形態によれば、電気光学ソースは、光信号発生器と、光回路と、少なくとも１つの光学／電気変換器とを備えており、光信号発生器は、別個の出力周波数によって特徴付けられる複数の光出力を備えており、光回路は、周波数別個光出力のうち異なる出力の選択および組み合わせを行い、変調光信号を発生し、変調光信号をミリメートル波またはサブミリメートル波に変換することを可能とするように構成されている。
【０００４】
以下の本発明の特定的な実施形態の詳細な説明は、以下の図面と合わせて読むと最良に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】図１は、本発明の一実施形態によるミリメートル波またはサブミリメートル波ポータル・システムの模式図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の一実施形態による電気光学ソースの模式図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、平面光波回路の文脈における本発明の一実施形態による電気光学ソースの模式図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明の一実施形態による導波路構成の非対称(skewed)模式図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、本発明の一実施形態による電気光学ソースの動作モードを表すグラフである。
【図３Ａ】図３Ａは、駆動電圧振幅がＶπ／４に等しい場合の、本発明の一実施形態による側波帯発生器の時間ドメイン応答を表すグラフである。
【図３Ｂ】図３Ｂは、駆動電圧振幅がＶπ／２に等しい場合の、本発明の一実施形態による側波帯発生器の時間ドメイン応答を表すグラフである。
【図３Ｃ】図３Ｃは、駆動電圧振幅がＶπに等しい場合の、本発明の一実施形態による側波帯発生器の時間ドメイン応答を表すグラフである。
【図３Ｄ】図３Ｄは、駆動電圧振幅が２Ｖπに等しい場合の、本発明の一実施形態による側波帯発生器の時間ドメイン応答を表すグラフである。
【図４】図４は、本発明の一実施形態による側波帯発生器の文脈における、奇数高調波と正規化駆動電圧との振幅間の関係Ｖｍ／Ｖπを表すグラフである。
【図５Ａ】図５Ａは、Ｖｍ＝ＶπおよびＶｍ＝２Ｖπとしたときの、本発明の一実施形態による側波帯発生器の出力における非変調光信号および光スペクトルを表すグラフである。
【図５Ｂ】図５Ｂは、Ｖｍ＝ＶπおよびＶｍ＝２Ｖπとしたときの、本発明の一実施形態による側波帯発生器の出力における非変調光信号および光スペクトルを表すグラフである。
【図５Ｃ】図５Ｃは、Ｖｍ＝ＶπおよびＶｍ＝２Ｖπとしたときの、本発明の一実施形態による側波帯発生器の出力における非変調光信号および光スペクトルを表すグラフである。
【図６】図６は、本発明の一実施形態による光フィルタおよび信号コンバイナの動作の模式図である。
【図７】図７は、本発明の一実施形態によるデータ・エンコーダの動作の模式図である。
【図８Ａ】図８Ａは、駆動電圧振幅がＶπ／４に等しい場合の、本発明の別の実施形態による側波帯発生器の時間ドメイン応答を表すグラフである。
【図８Ｂ】図８Ｂは、駆動電圧振幅がＶπ／２に等しい場合の、本発明の別の実施形態による側波帯発生器の時間ドメイン応答を表すグラフである。
【図８Ｃ】図８Ｃは、駆動電圧振幅がＶπに等しい場合の、本発明の別の実施形態による側波帯発生器の時間ドメイン応答を表すグラフである。
【図８Ｄ】図８Ｄは、駆動電圧振幅が２Ｖπに等しい場合の、本発明の別の実施形態による側波帯発生器の時間ドメイン応答を表すグラフである。
【図９】図９は、本発明の一実施形態による側波帯発生器の文脈における、偶数高調波と正規化駆動電圧との振幅間の関係Ｖｍ／Ｖπを表すグラフである。
【図１０】図１０は、位相変調器を側波帯発生器として用いる場合の本発明の一実施形態による位相変調器の構成の模式図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、Ｖｍ＝０．０１Ｖπとした場合の本発明の一実施形態による位相変調側波帯発生器の出力における光スペクトルを表すグラフである。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、Ｖｍ＝０．５０Ｖπとした場合の本発明の一実施形態による位相変調側波帯発生器の出力における光スペクトルを表すグラフである。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、Ｖｍ＝Ｖπとした場合の本発明の一実施形態による位相変調側波帯発生器の出力における光スペクトルを表すグラフである。
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、Ｖｍ＝２．０４Ｖπとした場合の本発明の一実施形態による位相変調側波帯発生器の出力における光スペクトルを表すグラフである。
【図１２】図１２は、本発明の一実施形態による電気光学アンテナ・アセンブリの模式図である。
【図１３】図１３は、図１２に示すアンテナ・アセンブリのアクティブ領域の模式断面図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施形態において用いるための多くの代替的なテーパースロット・アンテナ構成の１つの模式図である。
【図１５】図１５は、本発明の実施形態において用いるための多くの代替的なテーパースロット・アンテナ構成の１つの模式図である。
【図１６】図１６は、本発明の別の実施形態によるアンテナ・アセンブリの模式平面図である。
【図１７】図１７は、図４に示すアンテナ・アセンブリのアクティブ領域の模式断面図である。
【図１８】図１８は、一次元焦点面アレイとして構成したアンテナ・アセンブリの模式図である。
【図１９】図１９は、二次元焦点面アレイとして構成したアンテナ・アセンブリの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
本発明の一実施形態によるミリメートル波またはサブミリメートル波ポータル・システム１の模式図を図１に示す。概略的に、ポータル・システム１は、電気光学ソース１０と、１つ以上のミリメートル波またはサブミリメートル波検出器１５０とを備えている。電気光学ソースは、光信号発生器１２０、光スイッチングおよびエンコーディング回路１３０、ならびに１つ以上の光学／電気変換器１４０を備えている。
【０００７】
本発明について説明し定める目的上、ここでミリメートルおよびサブミリメートル波信号に言及する場合、３０ＧＨｚ以上の周波数を示すことを注記しておく。光信号発生器１２０は、少なくとも約３０ＧＨｚの変調周波数によって特徴付けられる変調光信号を発生するように構成されている。光回路は、光ファイバ、導波路、またはその他の適した光伝送線１３５を通じて変調光信号を１つ以上の光学／電気変換器１４０に導くように構成されている。各光学／電気変換器１４０は、変調光信号をミリメートル波またはサブミリメートル波１００に変換し、ミリメートル波またはサブミリメートル波１００を、ミリメートル波またはサブミリメートル波検出器１５０の１つによって定められる視野内に位置する物体２００の方向に射出する。各ミリメートル波またはサブミリメートル波検出器１５０は、物体２００からのミリメートル波またはサブミリメートル波の反射１１０を、物体２００からの反射時におけるミリメートル波またはサブミリメートル波１００の減衰を表す信号に変換する。
【０００８】
特定の対象品目が物体２００中にあるかまたは物体上に支持されているか判断するためには、物体２００からの反射時におけるミリメートル波またはサブミリメートル波１００の減衰を表す信号に種々の分析方式を適用することができる。これらの方式の詳細は、ミリメートル波またはサブミリメートル波検出に関する従来の教示または今後開発される教示から少しずつ集めることができる。例えば、限定ではなく、衣服の下に秘匿されている金属物体または非金属物体は、ミリメートル波（ｍｍｗ）撮像を用いて、減衰をフランネル、ポリエステル、綿、ナイロン、ポリカーボネート、人の肌等のような普通の素材の周波数依存減衰、または反射率と相関付けることによって観察することができる。
【０００９】
本発明の一実施形態では、人のｍｍｗ画像を所与の周波数で撮影する場合、異なる周波数においてその同じ人に予期される画像は、人の肌の反射率の周波数依存性のみに基づいて、相応に正しく近似することができる。人が秘匿物体を携行している場合、第２周波数においてその人に予期される画像は、秘匿物体の反射率が異なるために、予期された画像とは異なることになる。この代替周波数における予期画像と測定画像との間のずれを用いると、画像の人の判読(interpretation)が無くても、秘匿物体の存在を示すことができる。本発明は多数のｍｍｗ周波数の使用には限定されないが、本発明のポータル・システムにおいて２つよりも多い周波数を用いると、秘匿物質を検出する能力を犠牲にすることなく、擬陽性の数を低減することができる。例えば、所与の周波数における総反射電力は目標物のサイズおよび形状に依存するだけでなく、着衣やあらゆる秘匿物体にも依存するので、システムは、多数の周波数における反射信号の減衰を比較するようにデータ収集および分析ユニット１６０をプログラミングすることによって、自己較正することができる。物体２０のサイズおよび形状、ならびに衣服の組成は、しかるべき周波数における目標物体２００の応答を比較し、秘匿物体の存在のみを残して、予期した周波数依存応答から反射率を変化させることによって、変数のように除去することができる。
【００１０】
秘匿物体の潜在的な存在の判定は、データ収集および分析ユニット１６０によって行われる。多数のｍｍｗセキュリティ・ポータルを１つのｍｍｗ波形発生器によって配給する(serve)と、共通のデータ分析ユニット１６０を有することができることが考えられる。次いで、潜在的秘匿物質の存在を適正なポータルにおいて、「ビープ」または既存の磁気計において見受けられるような(occur)その他のインディケータによって通知することができる。あるいは、本発明によるｍｍｗポータルに、物体２００の画像を発生するように較正した検出器１５０のアレイを装備することもでき、この場合、データ収集および分析ユニット１６０には、適した画像処理ソフトウェアを組み込むことが必要となる。
【００１１】
通例、ミリメートル波またはサブミリメートル波検出器１５０によって定められる視野では、検出器１５０の視野も通過しなければ、物体２００がポータル・システム１００のポータル１７０を通過すること、またはその近くを通ることができないようになっている。図示の実施形態では、ポータル１６０はウオーク・スルー・ポータル(walk-through portal)として構成されており、１対のミリメートル波またはサブミリメートル波構成機器１８０と、従来の金属検出器として動作する補足の検出部１９０、あるいはポータル・システムにおいて用いるのに適した別の種類の従来のまたは今後開発される検出器または撮像デバイスとを含む。本発明を定め説明する目的のために、ここで「ポータル」に言及する場合、物体の分析に適した種々の構造または構成をその適用範囲に含めるように解釈することとし、門戸(doorway)、ゲートウェイ、エントリ、敷居、ポルティコ(portico)、ステーション、ターミナル、通路等を含み、しかもこれらには限定されないことを注記しておく。
【００１２】
光信号発生器１２０は、変調光信号を発生するのに適した種々の従来の形態または今後開発される形態をなすことができるが、本発明の一実施形態によれば、発生器１２０は電気光学側波帯発生器２０と光学フィルタ３０とを備えている。これらの構造については、図２から図１１を参照しながら以下で詳しく説明する。図２から図１１を参照しながら以下で説明するが、図２Ａおよび図２Ｂに示す本発明の一実施形態の場合、アレイ状の導波路格子（ＡＷＧ）を光学フィルタ３０として採用しており、発生器１２０の出力の各々は別個の光周波数を搬送する。何故なら、ＡＷＧは多数の周波数チャネルを備えており、その各々は一意の比較的狭い帯域幅によって特徴付けられるからである。
【００１３】
例えば、２５ＧＨｚ  ＡＷＧの場合、ＡＷＧの各出力チャネルは、約２５ＧＨｚの３ｄＢ帯域幅を有し、隣接するチャネルから２５ＧＨｚだけ分離されている。したがって、以下で説明する、図６に示すＡＷＧ構造を概略的に参照すると、非変調光を通過させる出力チャネルを中央チャネルに指定し、追加の各ポートには＋／−ポート番号を割り当てて、中央チャネルからのそのポートの順次周波数分離を示す。２５ＧＨｚ  ＡＷＧの場合、中央チャネルの高周波数側にある最初のポート（ポートＰ１＋）の中心波長は、中央チャネル（Ｐ０）のそれよりも２５ＧＨｚ上にあり、一方中央チャネルの低周波数側にある最初のポート（ポートＰ１−）の中心波長は、中央チャネル（Ｐ０）のそれよりも２５ＧＨｚ下にある。ポートＰ１＋は２５ＧＨｚの３ｄＢ帯域幅を有するので、このチャネルは、λ０＋１２．５ＧＨｚからλ０＋３７．５ＧＨｚまでの波長を通過させる。ここで、λ０は中央チャネルの波長を表す。同様に、中央チャネルの高周波数側にある２番目のポート（ポートＰ２＋）の中心波長は、中央チャネル（Ｐ０）のそれよりも５０ＧＨｚ上にあり、一方中央チャネルの低周波数側にある２番目のポート（ポートＰ２−）の中心波長は、中央チャネル（Ｐ０）のそれよりも５０ＧＨｚ下にある。ポートＰ２＋も２５ＧＨｚの３ｄＢ帯域幅を有するので、このチャネルはλ０＋３７．５ＧＨｚからλ０＋６２．５ＧＨｚまでの波長を通過させる。したがって、側波帯発生器によって生ずる別個の周波数は、ＡＷＧチャネルの特定的な中心波長と一致する必要はない。むしろ、ＡＷＧの設計、および側波帯発生器の構成は、側波帯発生器によって生ずる別個の周波数を別々のＡＷＧチャネルに通過させる構成が得られるようにするだけでよい。
【００１４】
図２Ｃにおいて、複数の導波路５５および光カプラ５８が、導波路基板上に形成され、ＡＷＧの出力チャネルに結合するのに適した一連の入力チャネルＩと、光カプラ５８によって組み合わされるそれぞれの信号対を送信するように構成された一連の出力チャネルＯとを定める。図示の構成では、中央チャネル信号は、中央チャネル信号は、適した光ダンプＤに導かれ、一方、一次側波帯、二次側波帯、および三次側波帯は、組み合わされて出力チャネルＯに導かれる。これらの組み合わされたＭＭＷ光キャリアは、追加の光スイッチング回路に導いて、正しいキャリアをエンコードすること、および／またはＭＭＷ信号の送信に適したＯ／Ｅ変換器に導くことを確保することができる。
【００１５】
光信号発生器１２０を駆動する様式の一例を、以下の表および図２Ｄに示す。光信号発生器１２０は、例えば、１７．５ＧＨｚで駆動すると、互いに約３５ＧＨｚだけ離間した一次側波帯を発生することができる。更に具体的には、自明のこととして、各一次側波帯は、駆動信号から１７．５ＧＨｚだけ離間されており、したがって、一次側波帯は互いからその量の２倍、即ち、３５ＧＨｚだけ離間されている。これら一次側波帯の各々は、光ファイバ３０によって別個の発生器出力に導かれ、スイッチング回路１３０によって選択的に組み合わされて３５ＧＨｚにおいて連続波Ｋａ−帯光変調を生ずる(yield)ことができる。１７．５ＧＨｚ駆動周波数の二次、三次、四次側波帯の選択および組み合わせにより、それぞれ、７０ＧＨｚ（Ｖ−帯）、１０５ＧＨｚ（Ｗ−帯）、および１４０ＧＨｚ（Ｆ−帯）の光変調が生ずる。この線形関係を、約１０ＧＨｚから約２２ＧＨｚにわたる駆動周波数範囲における一次側波帯、二次側波帯、三次側波帯、および四次側波帯について、図２Ｄに示す。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
図２Ｃおよび図２Ｄならびに上の表に示す側波帯の発生は、単に、同様の次数の側波帯、例えば、＋／−１、＋／−３、＋／−４等を伴うに過ぎない。しかしながら、光回路１３０は、別個の周波数光出力のうち異なるものを選択し組み合わせて、種々の別個の連続波変調光信号出力を生成するように構成することができることも想定している。例えば、本発明の一実施形態によれば、一連の導波路および波長コンバイナは、１つの導波路基板上に形成することができ、異なる次数の側波帯、例えば、＋４／０、＋１／−２；−３／−５等からの別個の周波数の光出力の選択および組み合わせをし易くするように構成することができる。その結果、本発明のこの実施形態による光信号発生器１２０および光回路は、協同して周波数選択能力を電気光学ソース１０に導入する。
【００１８】
図２Ｃに示す交差導波路構成は、三帯域(tri-band)電気光学ソースが望ましい場合に、特に有用である。具体的には、図２Ａに示す側波帯発生器２０を十分過酷に駆動すると、図２Ｃに示す交差導波路構成の入力チャネルＩの各々は別個の側波帯を搬送する。これら別個の側波帯は、導波路５５および光カプラ５８の組み合わせによって自ずと決定されるように組み合わせて、３つの周波数別個ＭＭＷキャリア信号を生成することができ、これらの各々は別々の出力チャネルＯを通じて送信することができる。尚、図２Ｃの目盛りは、それぞれの導波路５５間の分離が大きくなるように、非対称となっていることを注記しておく。加えて、それぞれの光カプラの構成は、単に模式的に図示したに過ぎない。最後に、それぞれの交差角度が、光干渉を回避するように相応に大きいのであれば、導波路が図２Ｃに示すように交差してもよいことを注記しておく。
【００１９】
限定した数の顕著な側波帯だけを形成できるように厳しく側波帯発生器２０を駆動する場合、レーザソース１５の中心波長を、周波数選択を強化するようにチューニングすることができる。例えば、側波帯発生器が単に顕著な一次および三次側波帯のみを形成する場合を考える。レーザソース１５の波長をＡＷＧの中央チャネルにチューニングすると、導波路網５５は２つの周波数別個ＭＭＷキャリア信号のみを発生する。一方は＋／−１側波帯に対応し、他方は＋／−３側波帯に対応する。好ましいＭＭＷキャリア信号が実際には＋／−２側波帯に対応する場合、レーザの波長をチューニングして、ＡＷＧの＋１チャネルおよび導波路網５５の＋１入力チャネルにずれるようにすることができる。その結果、導波路網５５および光カプラ５８は、−３／＋１チャネル上に位置する信号を組み合わせ、−３／＋１側波帯に対応するＭＭＷキャリアを発生することになる。これは、＋／−２側波帯の組み合わせと同等である。
【００２０】
また、波長選択は、側波帯発生器の駆動周波数を変化させることによっても行うことができる。例えば、前述の表および図２Ｄに更に示すように、光信号発生器１２０を、例えば、１５．６７ＧＨｚで駆動して、互いから約９４ＧＨｚだけ離間した三次側波帯を発生することができる。これらの側波帯の各々は、光学フィルタ３０によって別個の発生器出力に導かれ、スイッチング回路１３０によって選択的に組み合わされて、Ｗ−帯、即ち、９４ＧＨｚにおいて連続波光変調を生ずることができる。
【００２１】
したがって、図２Ｄに示すように、本発明のこの態様の信号発生器およびスイッチング回路をプログラマブル・コントローラまたはその他の適した制御ハードウェアに結合すれば、広い範囲に渡る電気光学ソース１０の変調周波数を制御する有効な手段を設けることができる。駆動周波数を制御し適した側波帯を選択し／組み合わせることによって、電気光学ソース１０を複数の変調帯に跨ってまたは広い周波数範囲全域で実質的に連続的に走査し、所望の変調周波数を生成することができる。尚、周波数走査光出力、または別個周波数光出力の様々な組み合わせを共通の光学／電気変換器１４０、複数の異なる光学／電気変換器１４０、または双方に導くことができることも想定している。更に、変調光信号を、１つのポータル１７０における１つの光学／電気変換器１４０に、１つのポータルにおける複数の光学／電気変換器に、または数個のポータル１７０に跨って分布する複数の光学／電気変換器１４０に導くことができることも考えられる。光回路１３０は、変調光信号を複数の変調出力に分割することによって、１つの光学／電気変換器１４０からの変調光信号を順次再度次の変換器に導くことによって、または双方によってそのようにするように構成することができる。
【００２２】
また、光回路１３０は、光学／電気変換器１４０に導く前に、変調光信号をエンコードするように構成することもできる。例えば、一旦変調光信号を確立したなら、例えば、図２Ａ、図２Ｂ，および図７を参照して以下で詳細に説明するデータ・エンコードを利用することによって、トーンまたはディジタル・シグネーチャ(digital signature)を光キャリア上に組み込むことができる。ＴＨｚ信号を変調するよりも光信号を変調する方が容易なので、トーンまたはディジタル・シグネーチャを光ドメインにおいて信号上にエンコードする。マッハ−ゼンダー干渉計のように比較的単純に構成した変調器を用いて、トーンまたはディジタル・シグネーチャをエンコードすることができる。尚、本発明の範囲から逸脱することなく、光ドメインまたは電気ドメインにおいて光信号を変調するために代替手段を用いてもよいことも考えられる。
【００２３】
一旦トーンまたはディジタル・シグネーチャを変調光信号上にエンコードしたなら、複合信号を任意に増幅することができる。光増幅は比較的単純である。エルビウム・ドープ・ファイバ増幅器のような光増幅器は、光信号上でデータ変調を過度に損失せずに、光パワーを増大する。潜在的な増幅の後、次に光信号を切り換えるかまたは分割して、種々のｍｍｗセキュリティ・ポータルにおける種々のｍｍｗエミッタにこの信号を送る。任意に、光信号の増幅は、光信号の切換または分割の後に行うこともできる。
【００２４】
検出器１５０は反射ｍｍｗ信号を、物体２００からの反射時におけるミリメートル波またはサブミリメートル波１００の減衰を表す信号に変換するのに適した種々の従来の形態または今後開発される形態をなすことができるが、本発明の一実施形態によれば、検出器１５０はアンテナ・アセンブリを備えている。このアンテナ・アセンブリは、テーパースロット・アンテナ部分２０’および電気光学導波路部分３０’を備えている。これらの構造については以下で図１２から図１９を参照しながら詳細に説明する。
【００２５】
図２から図１１を纏めて参照し、最初に図２Ａを参照すると、本発明の一部の実施形態によるセキュリティ・ポータルに用いるのに適した電気光学ソース１０が示されている。一般に、図示した電気光学ソース１０は、とりわけ、側波帯発生器２０、光学フィルタ３０、および導波路ネットワーク５５を備えている。導波路ネットワーク５５は、電気光学ソース１０の光入力１２からの光信号を、側波帯発生器２０および光学フィルタ３０を経由して電気光学ソース１０の光出力１４に導くように構成されている。図３から図５を参照して更に詳しく論ずるが、側波帯発生器２０は入力光信号ＩＩＮのキャリア周波数λ０を中心とする周波数側波帯Ｓを発生するように構成されている。光学フィルタ３０は、周波数側波帯Ｓとキャリア周波数λ０との間で弁別を行い、特定の対象側波帯を光出力１４に、ミリメートル波光信号ＩＭＭＷの形態で導くように構成されている。出力信号のデータ・エンコード変調が望まれる場合、電気光学ソース１０は更に、エンコード光データ信号ＩＤを発生するように構成されているデータ・エンコーダ４０も備えている。
【００２６】
側波帯発生器２０は、電気光学干渉計として構成することができる。更に具体的には、マッハ−ゼンダー干渉計のように、干渉計の入力セグメントを伝搬する光信号を、例えば、Ｙ−スプリッタにおいて２つの等しい部分に分割する。２つの光信号は、干渉計の２本のアームに沿って伝搬した後に、例えば、Ｙ−コンバイナによって再度組み合わされる。Ｙ−コンバイナにおいて２つの光信号が同相である場合、信号は加算的に干渉し、最大強度が伝搬して出力導波路に出ていく。しかしながら、２つの光信号の位相が外れている場合、これらの信号は減算的に干渉し、出力強度は低下する。Ｙ−コンバイナにおける信号の位相がπラジアンだけ外れている場合、２つの信号は減算的に干渉し、出力は最少となる。
【００２７】
電気光学制御マッハ−ゼンダー干渉計では、例えば、変調信号入力端子２２および５０Ω制御信号端子２４を通じて電気光学導波路に１２ＧＨｚ電圧を印加すると、位相シフトが誘起され、信号コンバイナにおいて加算的干渉および減算的干渉を調節する。電気光学導波路に印加された電圧によって２本のアーム間にπの位相シフトが誘起された場合、出力は最少になる。πの位相を誘起する電圧は、Ｖπと言えば分かる。限定ではなく例示として、本発明の側波帯発生器２０およびデータ・エンコーダ４０に用いるための適したある制御電極および導波路構成に関する具体的な教示が、米国特許出願公開第２００５／０２２６５４７号Ａ１「ＤＣ結合電極を用いた電気光学変調器」および第２００４／０１８４６９４号Ａ１「電気光学変調器およびこれを組み込んだ導波路」に紹介されている。
【００２８】
電気光学干渉計を−π／２でバイアスしｆｍの周波数で変調すると（注意：ωｍ＝２πｆｍ）、基本周波数および奇数高調波（即ち、３ωｍ、５ωｍ、．．．）の各々における出力光信号の強度は、ベッセル関数を用いて計算することができる。表１は、基本周波数および奇数高調波の大きさを纏める。
【００２９】
【表２】
2010509611.tif 000004
【００３０】
表１から、Ｖπ未満の電圧で変調器を駆動すると、高調波の振幅は非常に低いことがわかる。しかしながら、変調器を厳しく駆動していくに連れて、高調波の大きさは基本波よりも大きくなる。図３Ａから図３Ｄは、駆動電圧の振幅がＶπ／４、Ｖπ／２、Ｖπ、および２Ｖπに等しい場合の干渉計の時間ドメイン応答を示す。図３Ｃでは、奇数高調波３ωｍがキャリア周波数ωｍを支配する(dominate)。図３Ｄでは、奇数高調波５ωｍがキャリア周波数ωｍを支配する。
【００３１】
図４は、基本波、第３高調波、第５高調波、および第７高調波と正規化した駆動電圧Ｖｍ／Ｖπとの間における振幅の関係をグラフで示す。図４から分かるように、側波帯発生器２０として機能する電気光学変調器を２Ｖπよりも少し大きな電圧振幅で駆動すると、第５高調波（Ｗ５）の振幅が最大となる。どの側波帯を対象の側波帯に選択するかには関係なく、対象の側波帯の振幅が最大に達する正弦波電圧に近似するように、制御信号を選択できることが考えられる。
【００３２】
図５Ａから図５Ｃを参照すると、１５５０ｎｍの光信号を１０ＧＨｚで変調する例が示されており、基本変調周波数およびいずれの高調波も、１５５０ｎｍキャリアから＋／−０．０８ｎｍにおいて光キャリア上に側波帯として現れる。図５Ａは、非変調光信号を示す。図５Ｂは、Ｖｍ＝Ｖπとしたときの側波帯発生器２０の出力における光スペクトルを示す。図５Ｃは、Ｖｍ＝２Ｖπとしたときのスペクトルを示す。図５Ｃにおける光スペクトルは、１５４９．５２ｎｍおよび１５５０．４８ｎｍにおける優勢側波帯を示す。周波数ドメインでは、これらの波長は１９３，６０８．４ＧＨｚおよび１９３，４８８．４ＧＨｚにそれぞれ対応する。これら２つの周波数間の差は１２０ＧＨｚである。この場合もこれは１２ＧＨｚ変調周波数の＋／−第５高調波（即ち、＋／−５×１２ＧＨｚ即ち＋／−６０ＧＨｚ）に対応する。
【００３３】
尚、対象の側波帯が側波帯発生器２０から出力される光信号を支配する必要がないことが考えられる。むしろ、本発明の多くの実施形態では、対象の周波数側波帯の大きさが、側波帯発生器の出力において、電気光学ソースの光入力における光キャリア信号の大きさよりも少なくとも１０％であることを確保しさえすれば十分である場合もある。
【００３４】
光学フィルタ３０に関しては、先に注記したように、光学フィルタ３０の目的は、所望の側波帯を選択し、キャリア周波数およびいずれの不要な側波帯をも除去することである。この光学濾波機能は、種々の技術を用いて遂行することができ、ブラグ格子反射フィルタ、波長選択マッハ−ゼンダー・フィルタ、多層薄膜光学フィルタ、アレイ状導波路格子（ＡＷＧ）、マイクロ・リング共振フィルタ、および波長選択的な指向性カプラ・フィルタ(directional coupler filter)が含まれる。アレイ状導波路格子は特に有用である。何故なら、これは、狭い帯域幅によって特徴付けられる多数のチャネルを有する集積光学デバイスであるからである。以下の論述では、ＡＷＧの使用を中心に据えるが、他のフィルタも本発明にしたがって用いることができる。
【００３５】
ＡＷＧの役割は、望ましくない側波帯を濾波することであり、信号コンバイナとの協同により、２つの対象側波帯を組み合わせることである。例えば、チャネル間隔が６０ＧＨｚ（Δλ＝０．４８ｎｍ）またはチャネル間隔が３０ＧＨｚ（Δλ＝０．２４ｎｍ）のＡＷＧが、前述の１２０ＧＨｚシステムには非常に適している。図６に模式的に示すように、側波帯発生器から変調光信号ＩＭＯＤとして発生した側波帯波長が光学フィルタ３０に供給されると、側波帯の各々は、その特性波長に応じて、フィルタ３０の別個の出力チャネルから出てくる。限定ではなく例示として、側波帯発生器２０の出力をＡＷＧに挿入すると、図６に模式的に示すように、２つの望ましい第５高調波がポート３およびポート７から出てくる。しかしながら、６０ＧＨｚのＡＷＧを用いた場合、所望の五次側波帯は、変位量が少ないが、別個のポート、即ち、４および６から出てくる。３０ＧＨｚのＡＷＧの利点の１つは、ポートの帯域幅がはるかに狭いことである。しかしながら、３０ＧＨｚのＡＷＧの方が生産および動作が難しいことが多い。これらの理由のために、６０ＧＨｚのＡＷＧを光学フィルタ３０として利用することによって、本発明の一部の実施形態を動作させることが好ましい場合もある。
【００３６】
本発明による信号コンバイナ７０も図６には示されており、所望の側波帯は導波路Ｙ−コンバイナによって組み合わされる。例えば、２つの第五高調波側波帯を信号コンバイナ７０において組み合わせると、光学信号ＩＭＭＷは１２０ＧＨｚの連続波変調を有することになる。尚、光学フィルタが、一元光路に沿って対象側波帯の伝搬を維持するように構成されている光学デバイスを備えている場合、信号コンバイナは必要でないことが考えられる。
【００３７】
図７を参照すると、一旦変調光信号ＩＭＭＷを形成すると、例えば、１０ＧＢ／ｓ電気データ信号を利用し、データ信号入力端子４２および５０Ω制御信号端子４４を通じてデータ・エンコーダ４０に結合することによって、データをキャリア上に組み込むことができる。ＴＨｚ信号を変調するよりも光信号を変調する方が一般的には簡単であるので、光ドメインにおいてデータを信号ＩＭＭＷ上にエンコードする。ここで、マッハ−ゼンダー干渉計として構成された簡単な変調器を用いて、データをエンコードする。尚、本発明の範囲から逸脱することなく、光ドメインまたは電気ドメインにおいて光信号ＩＭＭＷを変調するには代替手段を採用してもよいことも考えられる。
【００３８】
一旦変調光信号上にデータをエンコードしたなら、複合信号ＩＤを増幅し、次いでスペクトルのＴＨｚ部分に変換することができる。光増幅は比較的単純である。エルビウム・ドープ・ファイバ増幅器のような光増幅器は、光信号上でデータ変調を過度に損失せずに、光パワーを増大する。
【００３９】
限定ではなく一例として、一動作モードでは、約１５５０ｎｍを中心とする帯域幅において連続波（ＣＷ）モードで動作する電気通信級レーザ・ダイオード１５が、デバイス１０の光部分で用いられる光キャリア周波数λ０を供給する。電気光学変調器は、側波帯発生器２０として機能し、以下に述べるように過剰駆動して、得られる光信号が複数の側波帯Ｓを光キャリアλ０上に含むようにする。例えば、しかるべく構成した変調器をＶπの２倍で過剰駆動すると、変調周波数の５倍の対象側波帯を発生する。ここで、Ｖπは、変調器のそれぞれのアーム間にπの位相シフトが生ずる電圧を表す。したがって、変調器を１２ＧＨｚで過剰駆動すると、＋／−６０ＧＨｚにおいて１５５０ｎｍの光キャリアを中心として対象側波帯が発生する。
【００４０】
６０ＧＨｚチャネルを有する電気通信級アレイ状導波路格子（ＡＷＧ）を光学フィルタ３０として用いると、キャリア光信号λ０を濾波し、２つの対象光側波帯を組み合わせて、１２０ＧＨｚで変調したミリメートル波光信号を形成する。第２電気光学変調器をデータ・エンコーダ４０として用いて、データをｍｍｗ−変調光信号上にエンコードし、データをエンコードした信号ＩＤを発生する。マッハ−ゼンダー干渉計において位相を制御するために電気光学効果を用いる電気通信級光変調器は、１０ＧＢ／ｓ以上でデータをエンコードすることができる。
【００４１】
光増幅器７５は、適した光学／電気変換器８０における変換に先だって、変調光信号ＩＤを増大させる。光学／電気変換器８０は、適した従来の形態または今後開発される形態をなすことができる。例えば、限定としてではなく、０．１２ＴＨｚにおいて動作するようにチューニングした高速フォトダイオードを用いると、光キャリアを除去し、信号ＩＤを変調ＴＨｚ信号ＥＤに変換することができる。
【００４２】
ここでは、指向性結合領域の形態とした光信号スプリッタおよびコンバイナを参照しながら、本発明の多くの実施形態を例示しているが、本発明は、光信号の分割または組み合わせに適しているのであれば、任意の従来の構造または今後開発される構造の利用をも想定していることを注記しておく。例えば、光信号を分割するおよび組み合わせるのに適した代替構造には、限定ではないが、２×２指向性結合領域、１×２指向性結合領域、１×２Ｙ字状信号スプリッタおよびコンバイナ、ならびに１×２および２×２マルチモード干渉要素スプリッタおよびコンバイナが含まれる。これらの構造の具体的な設計パラメータは、本発明の範囲を超えており、２００５年２月８日に発行された米国特許第６，８５３，７５８号を含む既存の情報ソースおよび今後作成される情報ソースから少しずつ集めることができる。この特許の開示内容は、ここで引用したことにより、本願にも含まれるものとする。
【００４３】
この時点までは、本明細書の論述では、初期マッハ−ゼンダーをＶπ／２の２本のアームにおいてある位相差でバイアスすると仮定していた。しかしながら、位相差がπ（またはπの倍数）に等しくなるように変調器をバイアスすると、出力光信号は変調信号の偶数高調波（２ω、４ω、６ω、．．．）を有することになる。Ｖπ未満の電圧で側波帯発生器２０を駆動すると、高調波の振幅は比較的低くなる。しかしながら、側波帯発生器２０を更に厳しく駆動するに連れて、高調波の大きさは基本キャリア周波数よりも大きくなる。図８Ａから図８Ｄは、駆動電圧振幅がＶπ／４、Ｖπ／２、Ｖπ、および２Ｖπに等しい場合の側波帯発生器２０の時間ドメイン応答を示す。尚、このバイアス構成では、基本周波数では変調がないことを注記しておく。代わりに、第２高調波が直ちに増大し始める。
【００４４】
図９は、駆動電圧の関数としての、偶数高調波の振幅を表すグラフである。このグラフは、第２高調波（Ｗ２）、第４高調波（Ｗ４）、および第６高調波（Ｗ６）の振幅を示す。Ｊ０についてのデータは、光信号の相対的光バイアスに対応する。以前に開発された分析を用いると、このπ構成は、変調周波数の２倍、４倍、および６倍における側波帯を形成するために用いることができる。１２ＧＨｚの駆動周波数を仮定すると、このバイアス方法は、９６ＧＨｚ（＋／−第４高調波）および１４４ＧＨｚ（＋／−第６高調波）においてＣＷ−変調を有する光信号を生成するために用いることができる。
【００４５】
尚、駆動周波数を特定の値に固定する必要はないことが考えられる。具体的には、可変周波数ソースとして１２ＧＨｚ変調制御信号を代わりに用いた場合、ＴＨｚ帯信号の周波数も可変となることができる。例えば、１２ＧＨｚの制御信号を１２．５ＧＨｚに変更すると、第５高調波の差は１２０ＧＨｚから１２５ＧＨｚに変化する。勿論、高調波の周波数が変化すると、フィルタ３０の動作パラメータの変化も必要となる場合もある。何故なら、新たな対象側波帯はフィルタ３０を通じて作られるからである。同様に、光学フィルタとＹ−コンバイナとの間に光スイッチを追加すると、種々の側波帯を組み合わせることが可能になる。これによって、ある範囲の連続波変調光信号を得る際に、柔軟性を得ることができる。
【００４６】
図１０を参照すると、側波帯発生器２０は、図１から図９を参照して先に説明した干渉計とは異なり、位相変調器の形態をなしてもよいことが考えられる。図１０は、本発明のこの態様による適した位相変調器の構成の模式図である。一般に、位相変調側波帯発生器２０は、電気光学コアおよび／またはクラッディングを有する直線導波路５２を備えており、側波帯発生器２０の電気光学機能部５６を横切るように電界をかけると、導波路５２の屈折率が変化し、これによって導波路５２の機能部５６を伝搬する光信号の位相の進みまたは遅れが生ずるようになっている。
【００４７】
図１０に示す形式の位相変調器の信号出力は、以下の式で表すことができる。
【００４８】
【数１】
2010509611.tif 000005
【００４９】
ここで、ωｃは光周波数、ωｍは変調周波数であり、電界および信号の強度は、
【００５０】
【数２】
2010509611.tif 000006
【００５１】
と表すことができる。
【００５２】
位相変調器の電圧の大きさがＶｍ＝Ｖπとなるような場合、ｓｉｎωｍｔが−１から１まで変化する際に、位相項は＋πと−πとの間で変調する。言い方を変えると、Ｖｍ＝Ｖπという条件の下では、位相シフトは２πとなる。
【００５３】
干渉計に基づく側波帯発生器の文脈において先に注記したように、基本周波数および奇数高調波（即ち、３ωｍ、５ωｍ、．．．）の各々における出力光信号の大きさは、ベッセル関数を用いて計算することができる。図１１Ａから図１１Ｄは、Ｖｍ＝０．０１Ｖπ、Ｖｍ＝０．５０Ｖπ、Ｖｍ＝Ｖπ、およびＶｍ＝２．０４Ｖπとした場合の本発明による位相変調側波帯発生器２０の出力における基本波および奇数高調波の相対的な大きさを示す。干渉計に基づく側波帯発生器２０の場合と同様、位相変調側波帯発生器２０の第５高調波の大きさはＶｍ＝２．０４Ｖπにおいて最大値に達する。
【００５４】
干渉計に基づく側波帯発生器２０と位相変調側波帯発生器２０との間で選択する際、多数の要因が関与して来る。具体的には、干渉計の場合、出力強度は駆動電圧と共に変動し、干渉計上のＤＣバイアスを用いて出力強度信号を調節し、側波帯の相対的な高さを制御することができる。対照的に、側波帯発生器２０を位相変調器として構成した場合、出力強度は、駆動電圧を変化させても、比較的一定のまま留まり、光信号の位相のみが変化する。加えて、駆動電圧のＤＣバイアスは、出力強度に影響を及ぼすことはなく、位相変調器が発生する側波帯の高さを変えることもない。位相変調器は、側波帯の発生については、干渉計と同様に効率的である。例えば、図４および図１１Ｄを参照すると、双方の形式の側波帯発生器は、約２．０４Ｖπの駆動電圧で第５高調波を最適化する。
【００５５】
干渉計は、プッシュ−プル構成で作動させることができ、したがって１つの導波路デバイスの半分の長さでπの位相シフトを得ることができる。位相変調器は、プッシュ−プル条件では作動させることはできない。したがって、同等の電気光学物資を用いる場合、位相変調器は干渉計よりも概ね２倍長くしなければならない。しかしながら、干渉計をπ／２でバイアスすると、３ｄＢ（５０％）の固有損失(inherent loss)が生ずる。対照的に、位相変調器にはこの固有損失は起こらない。したがって、本発明を実用化する者は、干渉計に基づく側波帯発生器と位相変調器型側波帯発生器との間で選定する際、これらの要因および利用可能な電気光学資材の光減衰を考慮してみるとよい。
【００５６】
図２Ｂに模式的に示すように、側波帯発生器２０、光学フィルタ３０、データ・エンコーダ４０、および導波路ネットワーク５５は、これらを共通デバイス基板６０上に都合良く形成できるように構成されている。具体的には、文献や以下で引用することにより本願にも含まれるものとする米国特許文書に記載されている光導波路、電気光学変調器、およびアレイ状導波路格子に精通する者には認められようが、側波帯発生器２０、光学フィルタ３０、データ・エンコーダ４０、および導波路ネットワーク５５のそれぞれの機能的構造は、各々、例えば、シリコン下地層によって支持されているシリカ・クラッディング層を備えている共通基板６０上に製作するのに適している。このように、共通デバイス基板上に形成できることは、これらのデバイスのそれぞれの構造が多種多様の構成要素および構成を組み込んでいる場合にも当てはまる。したがって、本発明の範囲は一般的なデバイス構成に及び、Ｖπよりも大きい制御電圧で駆動する側波帯発生器２０の提供には限定されないことを注記しておく。
【００５７】
図２Ｂに示す実施形態は、導波路ネットワーク５０も含むことができる。導波路ネットワーク５０は、デバイス１０の光入力１２からデバイス１０の光出力１４まで達する、実質的に連続の導波路コアを備えている。更に具体的には、図２Ｂを更に詳細に参照すると、導波路ネットワーク５０は、動作導波路部５２および遷移導波路部５４を備えることができる。動作導波路部は、側波帯発生器２０、光学フィルタ３０、およびデータ・エンコーダ４０において定められ、一方遷移導波路部５４は、光入力１２、側波帯発生器２０、光学フィルタ３０、データ・エンコーダ４０、および電気光学ソース１０の光出力１４の間で光信号を導くように構成されている。これらの部分を想定すると、動作導波路部５２および遷移導波路部５４を、動作導波路部５２および遷移導波路部５４によって定められるそれぞれの光路長の少なくとも大部分にわたって存在する共通の光伝送媒体で構成することができる。更に、動作導波路部５２および遷移導波路部５４は、実質的に平面の光波回路を定めるように構成することができる。
【００５８】
導波路ネットワークの導波路媒体は、シリカ・クラッディング層上に形成したシリカ系導波路を構成することができ、一方側波帯発生器の導波路媒体は、ポリマ電気光学クラッディング媒体によって包囲された導波路コアまたは埋め込まれた導波路コアを構成することができる。しかしながら、多くの場合平面光波回路（ＰＬＣ）の性質により、別個の構成要素は共通基板上における形成に向いている。本発明を定め説明する目的のために、「上」(over)という用語は、２つの層または領域の間に介在する層があることを想定していることを注記しておく。例えば、シリコン基板上に形成された導波路媒体は、導波路媒体とシリコン基板との間に層が介在する可能性を想定している。導波路コアを形成する光伝送媒体の具体的な組成は、本発明の多くの実施形態における強調点ではなく、例えば、ドープまたは非ドープ・シリカ、ドープまたは非ドープ・シリコン、酸窒化シリコン、ポリマ、およびその組み合わせを含む材料から選択するとよい。
【００５９】
本発明を定め説明する目的のために、平面光波回路（ＰＬＣ）は、通例、光入力、光出力、およびそれらの間にある伝搬点を定めるだけに過ぎず、伝搬点は実質的に共通綿内にあるか、あるいは実質的に平面の回路構成要素の上に形成されていることを注記しておく。本明細書における「回路」という単語の使用は、ＰＬＣ内を伝搬する光信号がその発生点に戻るという推論を生ずることを意図していない。
【００６０】
本発明の電気光学変調器を形成するには、種々の構成を利用することができる。例えば、限定としてではなく、電気光学変調器の機能的領域は、電気光学クラッド・シリカ導波路、シリコン導波路に注入する電荷が導波路を不透明にする、電子吸収変調器(electroabsorptive modulator)を有するシリコン導波路、電気光学クラッディングを有するゾル−ゲル導波路、導波路の屈折率が印加される電界に依存するニオブ酸リチウム導波路、および電気光学ポリマ導波路を含むことができる。例えば、限定としてではなく、電気光学変調器が導波路コアと、この導波路コアに光学的に結合されている光学的機能クラッディング領域とを備えている場合、光学的機能クラッディング領域は、ポッケル効果、カー効果、またはその他の何らかの電気光学効果によって支配される有極または無極電気光学ポリマを含むことができる。
【００６１】
本発明を説明し定める目的のために、電気光学機能領域とは、当該領域に電気制御信号を印加することにより、導波路構造内に定められる光軸に沿って伝搬する光信号の特性を当該構造の非電気光学領域よりも遥かに大きい程度まで変化させる、光導波路構造の領域であることを注記しておく。例えば、本発明による電気光学機能領域は、制御電極によって発生する適した電界の印加の下で変化する屈折率を定めるように構成されている電気光学ポリマを含むことができる。このようなポリマは、ポッケル効果、カー効果、またはその他の何らかの電気光学効果によって支配される有極または無極電気光学ポリマを含むことができる。これらの効果ならびに種々の構造およびその作成や使用に適した材料は、以下の公開特許文書および発行特許文書において導波路デバイスの文脈で詳しく記載されている。その開示内容は、ここで引用したことにより本願にも含まれるものとする。米国特許第６，９３１，１６４号"Waveguide Devices Incorporating Kerr-Based and Other Similar Optically Functional Medium（カーに基づく光機能材料およびその他の同様の光機能材料を組み込んだ導波路デバイス）、第６，６１０，２１９号"Functional Materials for use in Optical Systems"（光システムに用いるための機能性材料）、第６，６８７，４２５号"Waveguides and Devices Incorporating Optically Functional Cladding Regions"（光機能クラッディング領域を組み込んだ導波路およびデバイス）、および第６，８５３，７５８号"Scheme for Controlling Polarization in Waveguides"（導波路において偏光を制御する方式）、ならびに米国特許出願公開第２００５／０２２６５４７号Ａ１"Electrooptic Modulator Employing DC Coupled Electrodes"（ＤＣ結合電極を用いた電気光学変調器）、第２００４／０１８４６９４号Ａ１"Electrooptic Modulators and Waveguide Devices Incorporating the Same"（電気光学変調器およびこれを組み込んだ導波路デバイス）、および第２００４／０１３１３０３号Ａ１"Embedded Electrode Integrated Optical Devices and Methods of Fabrication" （埋め込み電極集積光デバイスおよび製造方法）。更に、光導波路構造においてポッケル効果、カー効果、またはその他の何らかの電気光学効果を発生するのに適した材料および構造に関する種々の教示が、前述の特許文献全体において、特にOptimer Photonic Inc.または発明者の氏名をあげると、Richard W. Ridgway、Steven M. Risser、Vincent McGinniss、および／またはDavid W. Nippaに譲渡された導波路技術における特許文献に紹介されている。
【００６２】
本発明を説明し定める目的のために、「光」または「光信号」の波長は、電磁スペクトルのいずれの特定波長または部分にも限定されないことを注記しておく。むしろ、「光」および「光信号」という用語は、本明細書では相互交換可能に用いられており、主題の別個の集合を包含することは意図しておらず、本明細書では、光導波路内を伝搬することができる電磁放射線のいずれの波長もカバーすると定める。例えば、電磁スペクトルの可視部分および赤外線部分における光または光信号は、双方共光導波路内を伝搬することができる。光導波路は、適した信号伝搬構造であればいずれでも含むことができる。光導波路の例には、光ファイバ、スラブ導波路、および、例えば、集積光回路において用いられる薄膜が含まれるが、これらに限定されるのではない。
【００６３】
本発明を説明し定める目的のために、マッハ−ゼンダー干渉計構造は、一般に光学構成を備えており、導波路に沿って伝搬する光信号を１対の導波路アームに分割し、導波路アームの一方または双方をそれぞれ伝搬する光信号の処理の後に、１本の導波路に再度組み合わせる。例えば、導波路アームの一方における信号は、その中を伝搬する光信号が所与の位相遅れを受けるように処理することができる。その結果、それぞれの導波路アームの信号を再び組み合わせると、これらは干渉して、その干渉を示す出力信号を発生する。先に記した特許文書には、多数のマッハ−ゼンダー干渉計の構造が詳細に図示されている。
【００６４】
図１に模式的に示す検出器１５０は、ミリメートル波およびサブミリメートル波の検出および分析に適しているのであればいずれの形態でもなすことができる。例えば、限定としてではなく、検出器１５０は、ショットキ・ダイオード検出器を備えることができ、その例には、米国特許第４，８３９，７０９号に記載されている修正バリア集積ダイオード（ＭＢＩＤ：modified barrier integrated diode）プロセスを用いて製作することができるＧａＡｓビームリード検出ダイオード、および常温および１０ＧＨｚ以下の周波数において優れた性能を発揮するシリコン・ゼロ・バイアス・ショットキ検出器が含まれる。
【００６５】
図１２から図１９をまとめて参照すると、本発明の一実施形態によれば、検出器１５０は、電気光学アンテナ・アセンブリ１５０として構成することができる。概略的に、アンテナ・アセンブリ１５０は、アンテナ部２０’と電気光学導波路部３０’とを備えている。アンテナ部２０’は、テーパースロット・アンテナとして構成されており、その設計については図１４および図１５を参照しながら以下で更に詳しく説明する。導波路部３０’は、少なくとも１つの電気光学導波路３２’を備えており、この導波路３２’はアンテナ・アセンブリ１５０の光入力３４’と光出力３６’との間にある光路の少なくとも一部に沿って延びている。
【００６６】
電気光学導波路３２’は、導波路コア３５’を備えている。導波路コア３５’は、アンテナ・アセンブリ１５０のアクティブ領域１５’において、テーパースロット・アンテナ２０’のスロットライン２２’に実質的に平行に延びており、少なくとも部分的に速度一致電気光学ポリマ３８’をアンテナ・アセンブリ１５０のアクティブ領域１５’内に備えている。尚、速度一致電気光学ポリマ３８’は導波路コア３５’、非ポリマ導波路コアを包囲するクラッディングの全部または一部、あるいは導波路３２’のコア３５’およびクラッディングの双方を形成してもよいことも考えられる。
【００６７】
テーパースロット・アンテナ２０’および電気光学導波路３２’は、（ｉ）アクティブ領域１５’においてテーパースロット・アンテナ２０’に沿って進行するミリメートル波またはサブミリメートル波信号１００の速度ｖｅが少なくとも部分的に速度一致電気光学ポリマ３８’の誘電係数の関数となるように、そして、（ｉｉ）アクティブ領域１５’において導波路コア３５’に沿って伝搬する光信号の速度ｖｏが、少なくとも部分的に速度一致電気光学ポリマ３８’の屈折率の関数となるように、互いに対して相対的に位置付けられている。本発明を説明し定める目的のために、本明細書において、あるパラメータまたはその他の変数の「関数」である変数に言及する場合、その変数は羅列したパラメータまたは変数だけの関数であることを示そうとしているのではない。むしろ、本明細書において、羅列したパラメータの「関数」である変数に言及する場合、その変数は１つのパラメータまたは複数のパラメータの関数でもよいように、自由形式であることを意図している。
【００６８】
速度一致電気光学ポリマ３８’のプロパティに対するこの共通依存性を想定して、アンテナ・アセンブリ１５０のアクティブ領域１５’および速度一致電気光学ポリマ３８’は、ミリメートル波および光信号のアクティブ領域１５’における速度一致を強化するように構成することができる。例えば、アクティブ領域１５’および速度一致電気光学ポリマ３８’は、ｖｅおよびｖｏがアクティブ領域において実質的に同じになるように、またはこれらが少なくとも次の関係を満たすように構成することができる。
【００６９】
【数３】
2010509611.tif 000007
【００７０】
前述のアンテナ・アセンブリは特定のアンテナ用途には限定されないが、当該アセンブリの速度一致特性の重要性は、ミリメートル波信号がテーパースロット・アンテナ２０’に沿って進行して、導波路コア３５’内を伝搬する光キャリア信号上に側波帯を形成する用途を参照して記載することもできる。具体的には、図２から図１１を参照して先に説明したように、周波数ωｍのミリメートル波電圧を変調器の進行波電極に入力しつつ周波数ω０のコヒーレント光信号を電気光学変調器の電気光学導波路部に沿って導くことにより、ミリメートル波は、光キャリア上に側波帯を形成するために用いることができる。図１２および図１３に示す本発明の実施形態では、テーパースロット・アンテナ２０’の第１および第２導電性エレメント２４’、２６’ならびに電気光学導波路３２’が、電気光学変調器を形成し、コヒーレント光キャリア信号を電気光学導波路３２’に沿って導く。第１および第２導電性エレメント２４’、２６’は、前述の刊行物に記載されているそれぞれの進行波電極に類似した仕方で機能し、したがって電気光学導波路３２’と協同して、電気光学導波路３２’に沿って伝搬する光キャリア上に側波帯を形成する。
【００７１】
更に具体的には、光キャリアω０およびミリメートル波信号１００は、テーパースロット・アンテナ２０’および電気光学導波路３２’によって形成される電気光学変調器の長さに沿って同時に伝搬するので、ミリメートル波１００の電界とアクティブ領域１５’におけるポリマの電気光学材料との相互作用によって、電気光学導波路３２’に屈折率変化が生ずる。この屈折率変化は、ミリメートル波１００の時間可変電界に合わせて動揺する。この屈折率の時間的変動の結果、光キャリアに時間依存位相シフトが生ずる。これは、側波帯を光キャリアω０に分与することに相当する。光キャリアをミリメートル波で変調すると、その結果変調器から生ずる光出力は、キャリア周波数における成分ω０と側波帯周波数における成分ω０±ωｍを有する。本発明者は、側波帯における応答の大きさは、ミリメートル波の電圧のＶπに対する比率、変調器をオン状態からオフ状態に完全に変化させるために必要な電圧、および変調器に沿って同時に伝搬する光キャリアとミリメートル波との間における速度一致の度合いによって決められることを認識した。
【００７２】
ミリメートル波の電圧は外部変数であるが、光キャリアとミリメートル波との間における速度一致度は、主にアンテナ・アセンブリ１５０の設計パラメータの関数であり、したがって、アンテナ・アセンブリ１５０のパラメータの設計の注意深い制御によって最適化することができる。例えば、ミリメートル波が、テーパースロット・アンテナ２０’の導電性エレメント２４’、２６’および誘電体基板４０’を備えているアクティブ領域１５’を伝搬する際、アクティブ領域１５’におけるミリメートル波またはサブミリメートル波信号の速度ｖｅは、アクティブ領域１５’の有効透磁率(permittivity)εｅｆｆの関数となる。
【００７３】
【数４】
2010509611.tif 000008
【００７４】
アクティブ領域１５’では、誘電体基板４０’が厚さｔを定め、底面層４２’、導波路コア３５’、速度一致電気光学ポリマ３８’、少なくとも１つの追加光クラッディング層４４’を備えており、これらの各々がアクティブ領域１５’における厚さｔに寄与する。つまり、アクティブ領域１５’の有効透磁率εｅｆｆは、基板の厚さｔと、底面層４２’、導波路コア３５’、速度一致電気光学ポリマ３８’、および追加光クラッディング層４４’のそれぞれの誘電係数との関数である。
【００７５】
アクティブ領域１５’における導波路３２’に沿って伝搬する光信号の速度ｖｏは、アクティブ領域１５’の有効屈折率ηｅｆｆの関数である。
【００７６】
【数５】
2010509611.tif 000009
【００７７】
アクティブ領域１５’の有効屈折率ηｅｆｆは、導波路コア３５’、速度一致電気光学ポリマ３８’、および追加光クラッディング層４４’のそれぞれの屈折率の関数である。したがって、光キャリアとミリメートル波との間における速度一致の度合いは、アクティブ領域１５’の有効透磁率εｅｆｆおよび有効屈折率ηｅｆｆを制御することによって最適化することができる。
【００７８】
速度一致電気光学ポリマを導波路３２’の構成要素として選択すると、アクティブ領域１５’の有効屈折率ηｅｆｆが１．５となり、光信号の速度ｖＯが、
【００７９】
【数６】
2010509611.tif 000010
【００８０】
となるように、電気光学変調器を構成することが可能となる。同じ文脈において、シリカ系誘電体基板４０’を選択し導波路３２’において速度一致電気光学ポリマを用いると、アクティブ領域１５’の誘電率εｅｆｆとなり、ミリメートル波またはサブミリメートル波信号の速度ｖｅが光信号の速度ｖＯの速度と一致するように、アクティブ領域を構成することが可能となる。
【００８１】
【数７】
2010509611.tif 000011
【００８２】
対照的に、有効誘電率εｅｆｆが約３．７６である従来のシリカ系テーパースロット・アンテナにおけるミリメートル波信号またはサブミリメートル波信号の速度ｖｅは、光信号の速度ｖｏとは著しく異なる。
【００８３】
【数８】
2010509611.tif 000012
【００８４】
アクティブ領域１５’の電気光学変調器構造における全位相シフトを可能な最大位相シフトの５０％以内に維持するためには、アクティブ領域１５’および速度一致電気光学ポリマ３８’は、速度ｖｅおよび速度ｖｏが以下の関係を満たすように構成しなければならない。
【００８５】
【数９】
2010509611.tif 000013
【００８６】
ここで、Ｌはアクティブ領域の長さであり、βは導波路の伝搬係数である。
【００８７】
速度一致を達成する１つの方法は、光信号およびミリメートル波のそれぞれの速度が事実上等しくなる材料を用いることである。また、速度一致は、特殊なデバイス設計によっても達成することができる。例えば、誘電体基板またはその構成層のいずれかの厚さを、シリコン微細加工、反応性イオン・エッチング、またはその他の方法によって、速度一致を達成するように特別に製作することができる。あるいは、誘電体基板４０’の幾何学的形状を変化させることによって、例えば、誘電体に孔を形成する、または誘電体の形状または寸法を変えることによって、有効誘電係数を構想することができる。図１４および図１５に示すアンテナ２０’を参照すると、アンテナ２０’に沿って進行する９４ＧＨｚ波の文脈では、スロットライン２２’がアクティブ領域１５’における２０’ミクロンの電極ギャップを特徴とし、電極２４’、２６’をシリカ上に製作すると仮定すると、誘電体基板の厚さｔを約１７０ミクロンにすることによって、ミリメートル波と光信号波との間に適した速度一致が得られるデバイス設計の基礎を形成することができる。
【００８８】
図１２および図１３に示すアンテナ・アセンブリ１５０は、光入力３４’から光出力３６’に伝搬する光信号が、１つのテーパースロット・アンテナ２０；を備える１つのアクティブ領域１５’だけを通過するように構成されている。更に具体的なテーパースロット・アンテナ２０’の設計に話題を転ずると、テーパースロット・アンテナ（ＴＳＡ）は、エンド・ファイア(end-fire)進行波アンテナであり、通例、金属の薄膜上にエッチングしたテーパースロットから成ることを注記しておく。これは、膜の一方側に誘電体基板を用いても、または用いなくても行うことができる。平面テーパースロット・アンテナは２つの共通機構、即ち、放射スロットとフィード・ラインとを有する。放射スロットは、アンテナの接地面として作用し、アンテナはフィード・ラインによって給電(feed)され、フィード・ラインは、例えば、平衡スロットラインまたはいずれかの適したフィード構造とすればよい。用いようとする具体的なフィード構造の性質は、本発明の範囲を超えており、米国特許第６，３１７，０９４号に明記されている教示を含む、本主題に関するいずれの従来の教示または今後開発される教示から少しずつ集めることができる。米国特許第６，３１７，０９４号の関連部分は、ここで引用したことにより、本願にも含まれるものとする。一般に、フィード構造は、比較的小型で、損失が少なくなければならない。適したフィード構造には、同軸ライン・フィード、およびマイクロストリップ・ライン・フィードが含まれるが、これらに限定されるのではない。本発明を説明し定める目的のために、本明細書においてアンテナ「アセンブリ」に言及するときは、当該アセンブリが一片(one-piece)、一体アセンブリ、または明記した構成要素の全てが互いに物理的に接続されているアセンブリであることも暗示しようとしているのではないことを注記しておく。むしろ、本発明によるアンテナ・アセンブリは、単に、特定の様式で互いに機能的に連結されている構成要素の集合体であればよい。
【００８９】
ＴＳＡ用には多くのテーパー輪郭(taper profile)が存在し、指数、接線、放物線、線形、線形−一定、指数−一定、段階−一定、分断線形などが含まれるが、これらに限定されるのではない。図１４は、線形テーパー輪郭を示す。図１５は、ヴィヴァルディ(Vivaldi)輪郭を示す。図１４および図１５において、テーパースロット・アンテナ２０’の第１および第２導電性エレメント２４’、２６’間のギャップは、例えば、２０’ミクロン程度で、アクティブ領域１５’内では非常に小さく、ミリメートル波信号の導波路と全く同様に振る舞う。アンテナ２０’の２つの導電性エレメント２４’、２６’間のギャップを狭めることにより、ミリメートル波信号の電界の大きさが増大する。これは、応答が、ギャップ間の電圧ではなく、電界に比例する電気光学材料では重要である。動作において、入射ミリメートル波放射線は、アンテナの開口に入り、アンテナ・エレメント２４’、２６’に沿ってアクティブ領域１５’に向かって伝搬する。ミリメートル波信号は、アクティブ領域１５’に出射し、再度放射し固定インピーダンス内にて終端することができる。
【００９０】
図１２から図１５に示すアンテナ・アセンブリは、例えば、最初に、光用途には十分に低い、ある程度の表面粗さを有する底面層４２’を設けることによって製作することができる。この基板上に下位クラッディング４４‘を被覆し、導波路パターンをその中にエッチングする。次に、導波路コアおよび速度一致電気光学ポリマ３８’は、同じ材料で形成しても異なる材料で形成してもよく、エッチングしたクラッディングの上に被覆し、電気光学層３８上に上位クラッディング４４’を形成する。最後に、テーパースロット・アンテナ２０’の導電性エレメント２４’、２６’を、上位クラッディング上に製作する。
【００９１】
電気光学材料３８’は、応答のために必要であれば、極性調整することができる。下位および上位クラッディング４４の屈折率は、電気光学層３８’のそれよりも低く、クラッディング４４’の厚さは、光キャリアを基板４２’およびアンテナ２０’から光学的に隔離するのに十分である。電気光学層３８’は、光キャリアの誘導モード(guided mode)を、定めた電気光学波長に閉じ込めるような厚さとなっている。導波路の製作について、ここでは、下位クラッディングをエッチングするという文脈で説明したが、電気光学材料のエッチング、フォトブリーチング(photobleaching)、または拡散というような、電気光学材料内に電気光学導波路を形成する他のいずれの方法でも、電気光学導波路を定めるために用いることができる。
【００９２】
先に注記したように、テーパースロット・アンテナ２０’はアンテナ２０’の放射スロットを定めるように配列した、第１および第２導電性エレメント２４’、２６’を備えている。図１２から図１５の実施形態は、電気光学導波路３２’の上方において、共通面に配列した第１および第２導電性エレメント２４’、２６’を含むが、代替構造も考えられる。例えば、図１６および図１７を参照すると、第１および第２導電性エレメント２４’、２６’は、異なる面内に、一方波高電導波路３２’の上、他方は電気光学導波路３２の下に配置することができる。加えて、図１６および図１７に示すように、第１および第２導電性エレメント２４’、２６’は、アンテナ・アセンブリのアクティブ領域１５’内に重複するように配列することもできる。
【００９３】
尚、図１６および１７に示す製作手法は、ＥＯポリマ変調器のミリメートル波に対する応答を高めることに至り、アンテナの応答性を改善することができると考えられる。このような応答の向上は、電気光学材料の極性調整の改良、およびミリメートル波電界と電気光学材料との間の相互作用の強化から得ることができる。図１６および図１７のアセンブリは、基板４２’上に下位電極２６’を形成し、下位クラッディング４４’を被着し、導波路コア３５’を形成し、電気光学層３８’および上位クラッディング４４’を被着し、最後にテーパースロット・アンテナ２０’の上位電極２４’を形成することによって製作することができる。本発明者は、多くの現行の電気光学ポリマは、平行板電極によって極性調整すると、共通面電極(coplanar electrode)と比較して、電気光学応答が良化することを認めている。したがって、この点において、ＥＯ応答に必要であれば、ＥＯ材料に合った従来の極性調整条件またはその他の今後開発される適した極性調整条件を用いて、電気光学材料を極性調整することができる。
【００９４】
クラッディングおよび電気光学層全体の厚さは、通例、５から２５ミクロンの範囲であるが、他の厚さも本発明の範囲内に該当する。ミリメートル放射線が最初にアンテナに入射するとき、電界は図１６および１７におけるＸ−軸に沿って分極する。しかしながら、ミリメートル波がアンテナ２０’に沿って伝搬するに連れて、電界の分極は、電界がアクティブ領域１５’においてＺ−方向に分極されるまで回転する。アクティブ領域では、ミリメートル波は一層緊密にクラッディングおよび電気光学材料に閉じ込められるので、ミリメートル波信号の速度は、これら組み合わせ層の有効誘電係数によって決定される。
【００９５】
本発明の用途において、デバイスが極性調整される後までＴＭ光が導波路３２’内で誘導しない場合、基板表面に追加の金属を付加すると、導波路３２’の長さ全体の極性調整が可能になる。簡略化のために、導波路は、デバイスに入るのと同じ側面から出るように敷設することができるが、これは必須ではない。このデバイスを製作するには、最初に底面層４２’上に下位電極２６’を形成し、下位クラッディング４４’を被着し、導波路コア３５’および電気光学層３８’を形成し、次いで上位クラッディング４４’を形成する。上位クラッディング４４’をデバイス上に配した後、１組の極性調整電極を導波路３２’上に形成し、電気光学材料３８’の極性調整を行う。これらの極性調整電極は、上位クラッディング４４’上に続いて形成する上位電極２４’の製作のために都合が良いのであれば、除去することができる。
【００９６】
図１６および図１７の構成では、第１および第２導電性エレメント２４’、２６’の垂直分離が、約５から２５ミクロン程度であり、アクティブ領域１５’における電界が、電気光学導波路３２’内を伝搬するＴＭ偏光光が見る屈折率を変化させる。電極は平行板電界を供給し、図１２から図１５に示した共通面電極によって発生する電極よりも、電気光学材料と効率的に相互作用することができる。この電界の強化と、潜在的に狭くなる電極キャップにより、アンテナ・アセンブリ１５０のミリメートル波放射線に対する応答を劇的に改良することができる。
【００９７】
図１２から図１７を参照して本明細書において説明した実施形態の各々では、導波路３２’の光入力３４’における光キャリア信号は、アンテナ・スロット２２’に入り、その中を進んでアクティブ領域１５に達する。アクティブ領域１５では、入射ミリメートル波（ＭＭＷ）１００の電界がアクティブ領域１５’の電気光学材料３８’と相互作用して、光信号の位相を変化させる。光信号は、アクティブ領域１５’の長さ全体にわたって位相シフトを蓄積し、導波路３２’の光出力３６’に伝搬し、ここで光キャリアは光ファイバ、導波路、またはその他の光媒体に移行する。
【００９８】
図１２から図１７は、アクティブ領域１５’を位相変調電気光学変調器として図示し、光信号は１つの導波路に残る。あるいは、アクティブ領域をマッハ−ゼンダー干渉計（ＭＺＩ）として構成することも可能である。この場合、光信号は２つの電気光学導波路間で等しく分割された後に、アームの一方がテーパースロット・アンテナ２０’の２つの電極２４’、２６’間にあるアクティブ領域１５’に入る。第２アームは、アンテナ２０’のアクティブ領域の外側に留まる。アクティブ領域の下流では、２つの光信号が再度組み合わせられる。また、導波路アームの一方または双方が、当該アームに沿って伝搬する光の位相を変化させるメカニズムを有することができることも考えられる。２つの導波路アーム間の相対的位相は、ＭＺＩがその最低パワー状態でいることができるように調節することができる。この状態では、光キャリアを１５ｄＢ以上低減することができ、一方側波帯内に含有されるパワーは不変である。元の光パワーの半分だけがアクティブ領域を横断するので、側波帯におけるパワーは、位相変調器の場合よりも約３ｄＢ低くなる。しかしながら、キャリアが３ｄＢよりも遥かに多く低減するので、信号対ノイズ比は、ＭＺＩ構成を用いると、著しく改善されると考えられる。
【００９９】
これより図１８および図１９に移ると、複数のテーパースロット・アンテナ２０’と、それぞれの入力部３４’および出力部３６’を有する対応の導波路コアを、共通基板４０’上に配列することができる。テーパースロット・アンテナ２０’毎に、導波路コアの光出力３６’における光信号は、キャリア周波数帯ω０および周波数側波帯ω０±ωｍを含む。これらの信号の各々は、周波数依存光学フィルタ５０’を経由して導き、周波数側波帯ω０±ωｍを光キャリアω０から分離し、側波帯ω０±ωｍおよび光キャリアω０をフィルタ出力ポート５１’、５２’、５３’、５４’の１つの個々の成分出力(component output)Ａ、Ｂ、Ｃに導くことによって、周波数側波帯ω０±ωｍをキャリア周波数帯ω０から弁別することができる。更に別の導波路、ファイバ、またはその他の適した光伝搬媒体を、フィルタ出力ポート５１’〜５４’の下流に設け、信号を光検出器アレイまたはその他の何らかの形式の光センサに導く。
【０１００】
また、図１８および図１９は、テーパースロット・アンテナ２０’を一次元または二次元焦点面アレイ内に配列した、本発明の一実施形態も示す。加えて、導波路コアおよびテーパースロット・アンテナ２０’は、並列電気光学回路として構成することができる。このような構成では、光検出器アレイの出力は、一次元または二次元でＭＭＷ信号１００を分析するために用いることができる。何故なら、光検出器アレイ内にある各センサ・エレメントのそれぞれの出力３６’は、対応するアンテナ２０’によって定められるセンサ・エレメントに対応する位置において変調器に入力されるミリメートル波電圧の大きさの関数となるからである。更に具体的には、図１８および図１９に示すように、アレイに配列されたテーパースロット・アンテナ２０’の各々は、焦点面アレイ内においてアンテナ画素を定める。したがって、各アンテナ２０’は、焦点面アレイに入射するミリメートル波信号またはサブミリメートル波信号１００の別個の画素部分を受信し、各導波路のそれぞれの出力部３６’における光信号は、ＭＭＷ信号１００の一次元分布または二次元分布を示すセンサ出力を供給する。
【０１０１】
図１８に示す一次元アレイの場合、テーパースロット・アンテナ２０’の一次元アレイは、共通基板４０’上に形成することができ、同様に共通基板４０’上に形成されている１２以上のチャネルのＡＷＧ５０’を設けると、４つのアンテナ２０’全てからの信号を同時に濾波することができる。図１９は、図１８に示す一次元アレイを複数個積み重ねてテーパースロット・アンテナ２０’の二次元アレイを形成することを除いて、本発明の同様の実施形態を示す。図１９の実施形態では、アンテナ２０’の一次元集合体毎に、１つのＡＷＧを用いることができ、望ましければ、積み重ねたアンテナ・アレイのための濾波を行うのに１つのＡＷＧを用いることもできる。
【０１０２】
図１８および図１９はアレイ状導波路格子（ＡＷＧ）の光学フィルタ５０’としての使用を模式的に示すが、図示の実施形態の光学濾波機能は、種々の技術を用いて遂行することができ、ブラグ格子反射フィルタ、波長選択マッハ−ゼンダー・フィルタ、多層薄膜光学フィルタ、マイクロ・リング共振フィルタ、および波長選択的な指向性カプラ・フィルタが含まれる。更に、図１８および図１９に示す実施形態は、導波路３２’を形成する際にニオブ酸リチウムまたはその他の非ポリマ電気光学材料を利用する、実用的な代替案であることも想定している。
【０１０３】
アレイ状導波路格子は、特に有用である。何故なら、これは比較的狭い帯域幅を特徴とする多数のチャネルを有する集積光学デバイスであるからである。動作において、ＡＷＧは多数の周波数を有する入力光信号を取り込み、Ｎ個の等しく離間された周波数を異なる出力に出力する。例えば、３０ＧＨｚまたは６０ＧＨｚのチャネル間隔を有するＡＷＧが、１２０ＧＨｚアンテナ・システムには非常に適している。ＡＷＧの所望のチャネル間隔は、ミリメートル波の周波数がＡＷＧチャネル間隔の倍数になるようにまたは倍数に近くなるようにするとよい。
【０１０４】
ＡＷＧのプロパティに関するこれまでの論述は、ＡＷＧの１つの入力ポートの使用に中心を据えていたが、Ｎ個の出力ポートを有するＡＷＧもＮ個の入力ポートを有することが多く、ポートの各々はＮ個の出力ポート全てに光を出力する。例えば、１６×１６ＡＷＧ（１６入力×１６出力）の文脈では、１６個の入力ポートの各々が１６の等しく離間した波長の光を有し、光の間隔はＡＷＧの設計間隔に対応する。次いで、１つのポートの出力に注目すると、選択したポートの光出力も１６の個々の波長を有するが、各波長は異なる入力ポートから来る。したがって、図１８に示すように、４つの別個の光信号が、４つの別個のアンテナ２０に対応する４つの別個の光出力３６’から出力される場合、これらの出力の各々は光キャリアω０および２つの側波帯ω０±ωｍを含むことができる。これら４つの光信号を次にＡＷＧの４つの異なる入力ポートＡに供給すると、４つの光キャリアおよびそれらの対応する８つの側波帯がＡＷＧの１２個の異なる出力ポートから出射する。つまり、１つのＡＷＧは、入力信号の数がＡＷＧポートの数を３（各ポートにおける別個の波長帯の数）で除算した値未満である限り、多数の入力信号を濾波するために用いることができる。
【０１０５】
ＡＷＧを光学フィルタとして用いることの第２の利点も、図６に記載されている。ＡＷＧは、双方の側波帯をそれに付随する光キャリアから区別する。対照的に、標準的なバンドパス・フィルタは、光キャリアおよび側波帯の１つを除去する。更に、２つの側波帯がコヒーレントであるとすると、ＡＷＧの下流においてこれらを再度組み合わせることができ、単に１つの側波帯を用いる場合よりも光応答が３ｄＢ増大する結果となる。図６の場合は、そのようになっている。
【０１０６】
尚、本明細書において、特定の固有性を具現化する、特定の様式で機能する等のために「構成されている」本発明の構成要素について詳述する場合、これらは、意図する使用の詳述ではなく、構造的な詳述であることを注記しておく。更に具体的には、本明細書において、構成要素が「構成されている」様式に言及する場合、当該構成要素の既存の物理的条件を示すのであり、したがって当該構成要素の構造的特徴の確定的詳述として捕らえることとする。例えば、本発明の文脈では、これらの構造的特徴は構成要素または構成要素の幾何学的形状の電気的および光学的特性を含むことができる。
【０１０７】
尚、「好ましくは」、「共通に」、および「通例」というような用語は、本明細書において利用される場合、特許請求する発明の範囲を限定するように、またはある種の特徴が、特許請求する発明の構造または機能にとって不可欠、必須、または重要であることも暗示するように捕らえるべきではないことを注記しておく。むしろ、これらの用語は、単に、本発明の特定的な実施形態において利用してもしなくてもよい代替的な特徴または付加的な特徴を強調することを意図するに過ぎない。
【０１０８】
本発明を説明し定める目的のために、「実質的に」という用語は、本明細書において利用する場合、いずれかの定量的比較、値、測定値、またはその他の表現に起因する可能性がある不確実性の内在的度合い(inherent degree)を表すことを注記しておく。また、「実質的に」という用語は、本明細書においては、定量的表現が、問題の主題の基本的機能の変化が生ずることなく、規定した基準から変動してもよい度合いを表す。「実質的に」という用語は、更に、本明細書では、問題の主題の詳述した機能性を産み出すために、定量的表現が、規定の基準から変動しなければならない最小の度合い表す。
【０１０９】
以上、特定的な実施形態を参照しながら本発明について詳細に説明したが、添付した特許請求の範囲に規定した発明の範囲から逸脱することなく、修正や変形が可能であることは明白であろう。更に具体的には、本発明の態様の一部を本明細書では好ましいまたは特に有利であるとして特定したが、本発明は必ずしもこれら発明の好ましい態様には限定されないことも想定している。例えば、具体的な構成ではカー効果媒体はポッケル効果によって支配される媒体よりも遥かに大きな変化を屈折率にもたらす適応性(capacity)があるので、本発明の具体的な実施形態による電気光学機能領域は、屈折率の変動がカー効果から得られる電気光学応答によって支配されるように選択することができるが、電気光学領域は、ポッケル効果、カー効果、またはその他の何らかの電気光学効果によって支配されてもよいことは言うまでもない。
【０１１０】
尚、以下の請求項の１つ以上は、ポータルであって、「そのポータルの構造が、少なくとも以下の条件に該当するようになっている」ことを明記することを注記しておく。本発明を定める目的のために、この句は、当該構造の一連の特性の詳述を導入するために用いられる、修正の余地を残した移行性の句として導入されたのであり、それよりも更に慣例的に用いられる、制約のない前提用語「備えている」(comprising)と同様に解釈すべきことを注記しておく。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３Ａ】
2010509611.tif 000019
【図３Ｂ】
2010509611.tif 000020
【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
2010509611.tif 000028
【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
2010509611.tif 000030
【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９】
2010509611.tif 000033
【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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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１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年7月14日(2009.7.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号発生器と、光回路と、少なくとも１つの光学／電気変換器とを備えた電気光学ソースであって、少なくとも、
前記光信号発生器が、別個の出力周波数によって特徴付けられる複数の光出力を備えること、
前記光回路が、少なくとも約３０ＧＨｚの変調周波数によって特徴付けられる変調光信号を発生するために、前記光信号発生器の周波数別個光出力のうち異なる出力の選択および組み合わせを可能にするように構成されること、
前記光回路が、更に、少なくとも１つの光学／電気変換器に前記変調光信号を導くように構成されること、
前記光学／電気変換器が、前記変調光信号をミリメートル波またはサブミリメートル波に変換するように構成されること、
の条件に該当する構造とした、電気光学ソース。
【請求項２】
請求項１記載の電気光学ソースにおいて、
前記光信号発生器は、約１ＧＨｚよりも高い周波数で駆動信号によって変調される電気光学領域を備えており、
前記光信号発生器は、前記光信号発生器の光出力を特徴付ける前記別個の周波数が前記周波数および前記駆動信号の前記周波数の関数として変動するように構成された、電気光学ソース。
【請求項３】
請求項１記載の電気光学ソースであって、更に、前記光回路に動作的に結合されたプログラマブル・コントローラを備えており、該コントローラは、周波数走査される変調光信号を発生するために、前記光回路に、前記光信号発生器の周波数別個光出力から異なる出力を選択させ、組み合せさせるようにプログラムされた、電気光学ソース。
【請求項４】
請求項１記載の電気光学ソースであって、更に、前記光信号発生器の電気光学領域に動作的に結合されたプログラマブル・コントローラを備えており、
前記電気光学領域は、約１ＧＨｚよりも高い周波数で駆動信号によって変調され、
前記光信号発生器は、前記光信号発生器の光出力を特徴付ける前記別個の周波数が前記周波数および前記駆動信号の前記周波数の関数として変動するように構成されており、
前記コントローラは、周波数走査される変調光信号を発生するために、前記駆動周波数を変化させるようにプログラムされた、電気光学ソース。
【請求項５】
請求項１記載の電気光学ソースであって、更に、前記光回路と前記光信号発生器の電気光学領域とに動作的に結合されたプログラマブル・コントローラを備えており、
前記電気光学領域は、約１ＧＨｚよりも高い周波数で駆動信号によって変調され、
前記光信号発生器は、前記光信号発生器の光出力を特徴付ける前記別個の周波数が前記周波数および前記駆動信号の前記周波数の関数として変動するように構成されており、
前記コントローラは、周波数走査される変調光信号を発生するために、前記駆動周波数を変化させ、前記光回路に、前記光信号発生器の前記周波数別個光出力から異なる出力を選択させ、組み合せさせるようにプログラムされた、電気光学ソース。
【請求項６】
請求項１記載のシステムにおいて、前記光回路は、前記周波数別個光出力の異なる組み合わせを共通光学／電気変換器に導くように構成された、システム。
【請求項７】
請求項１記載のシステムにおいて、前記光回路は、前記光学／電気変換器に導く前に、前記変調光信号をエンコードするように構成された、システム。
【請求項８】
請求項１記載のシステムにおいて、前記光信号発生器は、入力光信号のキャリア周波数を中心とする周波数側波帯を発生するように構成された電気光学側波帯発生器と、前記周波数側波帯と前記キャリア周波数との間で弁別を行うように構成された光学フィルタとを備えた、システム。
【請求項９】
請求項８記載のシステムにおいて、前記電気光学側波帯発生器は電気光学干渉計を備えており、前記光学フィルタはアレイ状導波路格子を備えており、前記光回路は、前記変調光信号を形成するために、前記アレイ状導波路格子の選択した光出力を組み合わせるように構成された、システム。
【請求項１０】
光信号発生器と、光回路と、少なくとも１つの光学／電気変換器とを備えた電気光学ソースであって、少なくとも、
前記光信号発生器が、別個の出力周波数によって特徴付けられる複数の光出力を備えること、
前記光信号発生器が、約１ＧＨｚよりも高い周波数で駆動信号によって変調される電気光学領域を備えること、
前記光信号発生器が、前記光信号発生器の光出力を特徴付ける前記別個の周波数が、前記駆動信号の周波数の関数として変動するように構成されること、
前記光回路が、更に、前記変調光信号を少なくとも１つの光学／電気変換器に導くように構成されること、
前記光学／電気変換器が、前記変調光信号をミリメートル波またはサブミリメートル波に変換するように構成されること、
という条件に該当する構造とした、電気光学ソース。
【国際調査報告】
2010509611.tif 000047
2010509611.tif 000048