(57)【要約】光マグネトロンが与えられ、これは半径ｒｃを有する円筒形の陰極と、半径ｒａを有し、幅ｗａ＝ｒａ−ｒｃを有する陽極−陰極空間を規定するため陰極と同軸に整列する環状形陽極とを含んでいる。光マグネトロンはさらに陽極と陰極間にｄｃ電圧を与え陽極−陰極空間を横切って電界を設定するための電気接触部と、電界にほぼ垂直な陽極−陰極空間内にｄｃ磁界を与えるように配置されている少なくとも１つの磁石を含んでいる。陽極−陰極空間を規定する陽極表面に沿って開口をそれぞれ有する複数の共振空洞が設けられている。陰極から放射される電子は電界および磁界により影響されて陽極−陰極空間を通る通路を移動し、共振空洞に共振フィールドを発生するために共振空洞の開口に近接して通過する。共振空洞は波長λを有する周波数で共振するようにそれぞれ設計され、陽極の表面の円周２πｒａはλよりも大きい。【選択図】図１
2004503907.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光マグネトロンにおいて、
陽極−陰極空間により分離された陽極および陰極と、
陽極−陰極間にｄｃ電圧を供給して陽極−陰極空間を横切って電界を設定するための電気接触部と、
電界にほぼ垂直なｄｃ磁界を陰極−陽極空間内に与えるように配置されている少なくとも１つの磁石と、
陽極−陰極空間を規定する陽極表面に沿って開口をそれぞれ有する複数の共振空洞とを含んでおり、
前記陰極から放射された電子は電界および磁界により影響されて陽極−陰極空間を通る通路を移動し、前記共振空洞に共振フィールドを生成するために前記共振空洞の開口に近接して通過し、
前記各共振空洞は約１０ミクロン以下の波長λを有する周波数で共振するようにそれぞれ設計される光マグネトロン。
【請求項２】
前記複数の共振空洞は、陽極に形成される実質上等しい深さの複数の放射状スロットを具備している請求項１記載のマグネトロン。
【請求項３】
前記複数の共振空洞は、陽極に形成される少なくとも２つの異なる深さの交互に配置された放射状スロットを具備している請求項１記載のマグネトロン。
【請求項４】
前記複数の共振空洞は、複数の放射状スロットを具備し、それら複数の放射状スロットの少なくとも幾つかは共通の共振器に結合されている請求項１記載のマグネトロン。
【請求項５】
前記共通の共振器は陽極の外周を囲んでいる少なくとも１つの共通の共振空洞を具備している請求項４記載のマグネトロン。
【請求項６】
前記共通の共振器は１つの共通の共振空洞を具備し、陽極に形成される複数の放射状スロット中で１つおきのみの放射状スロットがその共振空洞に結合されている請求項５記載のマグネトロン。
【請求項７】
前記共通の共振器は陽極の外周を囲んでいる複数の共通の共振空洞を具備している請求項５記載のマグネトロン。
【請求項８】
前記陽極に形成される複数の放射状スロット中で奇数番号のスロットが複数の共通の共振空洞の第１の空洞に結合され、偶数番号のスロットが複数の共通の共振空洞の第２の空洞に結合されている請求項７記載のマグネトロン。
【請求項９】
前記共通の共振空洞は空洞の外部壁を規定する湾曲した表面を有している請求項５記載のマグネトロン。
【請求項１０】
前記複数の共振空洞の少なくとも１つは波長λを有する電磁エネルギを出力するために少なくとも１つの出力ポートに結合されている請求項１記載のマグネトロン。
【請求項１１】
前記出力ポートは波長λを有する電磁エネルギに透明である出力ウィンドウを具備している請求項１０記載のマグネトロン。
【請求項１２】
請求項１の光マグネトロンと、
情報を送信するために光マグネトロンの出力を変調する手段とを具備している通信システム。
【請求項１３】
半径ｒｃを有する円筒形の陰極と、
半径ｒａを有し、幅ｗａ＝ｒａ−ｒｃを有する陽極−陰極空間を規定するため陰極と同軸に整列する環状形陽極と、
陽極と陰極との間にｄｃ電圧を与え、陽極−陰極空間を横切って電界を設定するための電気接触部と、
電界にほぼ垂直なｄｃ磁界を陽極−陰極空間内に与えるように配置されている少なくとも１つの磁石と、
陽極−陰極空間を規定する陽極表面に沿って開口をそれぞれ有する複数の共振空洞を含んでおり、
前記陰極から放射される電子は電界および磁界により影響されて陽極−陰極空間を通る通路を移動し、前記共振空洞に共振フィールドを生成するために共振空洞の開口に近接して通過し、
前記共振空洞は波長λで共振するようにそれぞれ設計され、陽極の表面の円周２πｒａはλよりも大きい光マグネトロン。
【請求項１４】
前記複数の共振空洞は陽極に形成された実質上等しい深さの複数の放射状スロットを具備している請求項１３記載のマグネトロン。
【請求項１５】
前記複数の共振空洞は，陽極に形成された少なくとも２つの異なる深さの交互に配置された放射状スロットを具備している請求項１３記載のマグネトロン。
【請求項１６】
前記複数の共振空洞は複数の放射状スロットを具備し、前記複数の放射状スロットの少なくとも幾つかは共通の共振器に結合されている請求項１３記載のマグネトロン。
【請求項１７】
前記複数の共振空洞は陽極の外周を囲んでいる少なくとも１つの共通の共振空洞を具備している請求項１８記載のマグネトロン。
【請求項１８】
前記共通の共振器は１つの共通の共振空洞を具備し、前記陽極に形成される複数の放射状スロット中で１つおきの放射状スロットが共振空洞に結合されている請求項１７記載のマグネトロン。
【請求項１９】
前記共通の共振器は陽極の外周を囲んでいる複数の共通の共振空洞を具備している請求項１７記載のマグネトロン。
【請求項２０】
前記陽極に形成された複数の放射状スロット中で奇数番号のスロットが複数の共通の共振空洞の第１の空洞に結合され、偶数番号のスロットが複数の共通の共振空洞の第２の空洞に結合されている請求項１９記載のマグネトロン。
【請求項２１】
前記共通の共振空洞は空洞の外部壁を規定する湾曲した表面を有している請求項１７記載のマグネトロン。
【請求項２２】
前記複数の共振空洞の少なくとも１つは波長λを有する電磁エネルギを出力するために少なくとも１つの出力ポートに結合されている請求項１３記載のマグネトロン。
【請求項２３】
前記出力ポートは波長λを有する電磁エネルギに透明である出力ウィンドウを具備している請求項２２記載のマグネトロン。
【請求項２４】
陽極−陰極空間により分離される陽極および陰極と、
陽極と陰極との間にｄｃ電圧を供給して陽極−陰極空間を横切って電界を設定するための電気接触部と、
電界にほぼ垂直なｄｃ磁界を陽極−陰極空間内に与えるように配置されている少なくとも１つの磁石と、
陽極−陰極空間を規定する陽極表面に沿って形成されたＮ個の共振空洞の高密度アレイとを含んでおり、Ｎ個の各共振空洞は開口を有し、それによって陰極から放射された電子は電界および磁界により影響されて陽極−陰極空間を通る通路を移動し、共振空洞に共振フィールドを生成するために共振空洞の開口に近接して通過し、
ここで、Ｎは１０００よりも大きい整数である光マグネトロン。
【請求項２５】
Ｎは１０，０００よりも大きい請求項２４記載のマグネトロン。
【請求項２６】
Ｎは１００，０００よりも大きい請求項２４記載のマグネトロン。
【請求項２７】
Ｎは５００，０００よりも大きい請求項２４記載のマグネトロン。
【請求項２８】
陽極−陰極空間により分離された陽極および陰極と、
陽極−陰極との間にｄｃ電圧を供給して陽極−陰極空間を横切って電界を設定するための電気接触部と、
電界にほぼ垂直なｄｃ磁界を陽極−陰極空間内に与えるように配置されている少なくとも１つの磁石と、
陽極−陰極空間を規定する陽極表面に沿って開口をそれぞれ有する複数の共振空洞とを含んでおり、前記陰極から放射された電子は電界および磁界により影響されて陽極−陰極空間を通る通路を移動し、共振空洞に共振フィールドを生成するために共振空洞の開口に近接して通過し、
さらに陽極の外周を囲んでいる共通の共振器を含んでおり、少なくとも前記複数の共振空洞のうちの幾つかがπモード動作を誘起するようにその共通の共振器に結合されているマグネトロン。
【請求項２９】
前記共通の共振器は単一の共通の共振空洞を具備し、前記陽極に形成される複数の共振空洞の中で１つおきの共振空洞だけが前記共通の共振空洞に結合されている請求項２８記載のマグネトロン。
【請求項３０】
前記共通の共振器は陽極の外周を囲んでいる複数の共通の共振空洞を具備している請求項２９記載のマグネトロン。
【請求項３１】
前記陽極で形成される複数の共振空洞中で奇数番号のスロットが複数の共通の共振空洞の第１の空洞に結合され、偶数番号のスロットが複数の共通の共振空洞の第２の空洞に結合されている請求項３０記載のマグネトロン。
【請求項３２】
前記共通の共振空洞は空洞の外部壁を規定する湾曲した表面を有している請求項２８記載のマグネトロン。
【請求項３３】
前記共通の共振器は波長λを有する電磁エネルギを出力するために出力ポートに結合されている請求項２８記載のマグネトロン。
【請求項３４】
マグネトロンは１００ギガヘルツ以上の周波数で電磁エネルギを出力する出力部を含んでいる請求項２８記載のマグネトロン。
【請求項３５】
マグネトロンは１００ギガヘルツ以下の周波数で電磁エネルギを出力する出力部を含んでいる請求項２８記載のマグネトロン。
【請求項３６】
陽極−陰極空間により分離された陽極および陰極と、
陽極−陰極との間にｄｃ電圧を供給して陽極−陰極空間を横切って電界を設定するための電気接触部と、
電界にほぼ垂直なｄｃ磁界を陽極−陰極空間内に与えるように陽極の両端部に配置されている１対の磁石と、
陽極−陰極空間を規定する陽極表面に沿って開口をそれぞれ有する複数の共振空洞とを含んでおり、その前記陰極から放射された電子は電界および磁界により影響されて陽極−陰極空間を通る通路を移動し、共振空洞に共振フィールドを生成するために共振空洞の開口に近接して通過し、
陽極は少なくとも上部陽極と下部陽極を具備し、上部陽極の共振空洞は第１の波長を有する周波数で共振するようにそれぞれ設計され、下部陽極の共振空洞は第１の波長とは異なる第２の波長を有する周波数で共振するようにそれぞれ設計されているマグネトロン。
【請求項３７】
陽極と、陰極と、複数の共振空洞と、
電気エネルギを陽極と陰極を供給して、複数の共振空洞を使用して電気エネルギを光放射へ変換する手段とを具備しているマグネトロン。
【請求項３８】
光マグネトロンの陽極を形成する方法において、
第１の材料から作られている円筒形コアの外部表面の周囲にフォトレジスト層を形成し、
フォトレジスト層をパターン化しエッチングして複数のスロットを規定するように円筒形コアの外部表面から放射的に延在する複数のベーンを形成し、
フォトレジストおよび第１の材料とは異なる第２の材料により円筒形コアおよびベーンをメッキし、
複数のスロットを有する円筒形の陽極を生成するためにメッキからベーンと円筒形コアを除去するステップを含んでいる方法。
【請求項３９】
ベーンと円筒形コアは溶剤によって化学的に除去される請求項３８記載の方法。
【請求項４０】
パターン化ステップはフォトリソグラフ技術により行われる請求項３８記載の方法。
【請求項４１】
フォトリソグラフ技術は電子ビームリソグラフである請求項４０記載の方法。
【請求項４２】
光マグネトロンの陽極を形成する方法において、
陽極が作られる材料の層を形成し、
前記層をパターン化しエッチングして陽極の内周に沿って形成される複数の共振空洞を有する円筒形陽極の第１の層を形成し、
材料の少なくとも１つのその次の層を形成し、陽極の垂直の高さを増加するためにパターン化し、エッチングするステップを反復するステップを含んでいる方法。
【請求項４３】
陽極−陰極空間により分離される陽極および陰極と、
陰極と陽極間に電圧を供給して陽極−陰極空間を横切って電界を設定するための電気接触部と、
電界にほぼ垂直な磁界を陽極−陰極空間内に与えるように配置されている少なくとも１つの磁石とを含んでおり、
前記陽極は中空のシリンダを形成するために並んで配置されている複数のウェッジを含み、各ウェッジはそこに位置されている陽極−陰極空間を有し、各ウェッジは陽極−陰極空間に露出されている開口を有する共振空洞を少なくとも部分的に規定している第１の凹部を具備しているマグネトロン。
【請求項４４】
各ウェッジはパイ形であり、ウェッジの狭い端部に沿って形成される凹部を含んでいる請求項４３記載のマグネトロン。
【請求項４５】
複数のウェッジの第１のサブセットのウェッジはそれぞれ第２の凹部を含んでおり、それらの第２の凹部はウェッジと陽極の外部表面とにより規定される共振空洞間でエネルギを結合するための第１の結合ポートを少なくとも部分的に規定する請求項４３記載のマグネトロン。
【請求項４６】
前記複数のウェッジは偶数番号と奇数番号のウェッジの交互のパターンとして配置され、複数のウェッジの第１のサブセットは偶数番号のウェッジを含んでいる請求項４５記載のマグネトロン。
【請求項４７】
前記複数のウェッジの第２のサブセットのウェッジはそれぞれ第３の凹部を含んでおり、この第３の凹部はウェッジと陽極の外部表面とにより規定される共振空洞間でエネルギを結合するための第２の結合ポートを少なくとも部分的に規定している請求項４６記載のマグネトロン。
【請求項４８】
複数のウェッジの第２のサブセットは奇数番号のウェッジを含んでいる請求項４７記載のマグネトロン。
【請求項４９】
第２の結合ポートは第１の結合ポートに関して付加的に１／２λの遅延を与え、λはマグネトロンの動作波長を表している請求項４８記載のマグネトロン。
【請求項５０】
第２の結合ポートは第１の結合ポートでは見られない少なくとも１つの湾曲部を含んでいる請求項４９記載のマグネトロン。
【請求項５１】
湾曲部はＨ平面湾曲部である請求項５０記載のマグネトロン。
【請求項５２】
第２の結合ポートは付加的な１／２λの遅延を与えるように第１の結合ポートに比較して幅が広くされている請求項４９記載のマグネトロン。
【請求項５３】
陽極の外部表面を包囲する少なくとも１つの共通の共振空洞をさらに具備している請求項４９記載のマグネトロン。
【請求項５４】
第１のサブセットと第２のサブセットの少なくとも１つのウェッジはそれぞれ複数の第２の凹部または第３の凹部を具備している請求項４９記載のマグネトロン。
【請求項５５】
複数のウェッジは金属材料から形成されている請求項４３記載のマグネトロン。
【請求項５６】
マグネトロンは光波長スペクトル内の動作波長λを有している請求項４３記載のマグネトロン。
【請求項５７】
陽極−陰極空間により分離される陽極および陰極と、
陽極−陰極との間に電圧を供給して陽極−陰極空間を横切って電界を設定するための電気接触部と、
電界にほぼ垂直な磁界を陽極−陰極空間内に与えるように配置されている少なくとも１つの磁石とを含んでおり、
前記陽極は陽極−陰極空間が位置されている中空形のシリンダを形成するために重ねてスタックされている複数の座金形の層を含み、それら複数の層のそれぞれは複数の層の他の層の凹部と整列されている内部直径に沿った複数の凹部を含んでおり、陽極−陰極空間への開口をそれぞれ有するシリンダの軸に沿って複数の共振空洞を規定しているマグネトロン。
【請求項５８】
前記複数の層の第１のサブセットの層は層と陽極の外部表面により規定される１つの共振空洞間でエネルギを結合するために少なくとも１つの第１の結合ポートをそれぞれ含んでいる請求項５７記載のマグネトロン。
【請求項５９】
前記複数の層は偶数番号と奇数番号の層の交互のパターンとして配置され、複数の層の第１のサブセットは偶数番号の層を含んでいる請求項５８記載のマグネトロン。
【請求項６０】
前記複数の層の第２のサブセットの層は層と陽極の外部表面により規定される１つの共振空洞間でエネルギを結合するために少なくとも１つの第２の結合ポートをそれぞれ含んでいる請求項５９記載のマグネトロン。
【請求項６１】
前記複数の層の第２のサブセットは奇数番号の層を具備している請求項６０記載のマグネトロン。
【請求項６２】
前記第２の結合ポートは第１の結合ポートに関して付加的に１／２λの遅延を与え、λはマグネトロンの動作波長を表している請求項６１記載のマグネトロン。
【請求項６３】
第２の結合ポートは第１の結合ポートでは見られない少なくとも１つの湾曲部を含んでいる請求項６２記載のマグネトロン。
【請求項６４】
少なくとも１つの前記湾曲部は対応する層の平面にある請求項６３記載のマグネトロン。
【請求項６５】
前記湾曲部はＨ平面の湾曲部である請求項６３記載のマグネトロン。
【請求項６６】
前記複数の層のそれぞれは、層と陽極の外部表面により規定される１つの共振空洞間でエネルギを結合するための少なくとも１つの第１の結合ポートと、層と陽極の外部表面により規定される別の共振空洞間でエネルギを結合するための少なくとも１つの第２の結合ポートとを具備し、複数の隣接層の少なくとも１つの第１の結合ポートは結合されて、結合された第１の結合ポートを生成し、この結合された第１の結合ポートは、複数の隣接層の少なくとも１つの第２の結合ポートの組合わせにより形成された結合された第２の結合ポートに比較して幅が広くされている請求項５７記載のマグネトロン。
【請求項６７】
結合された第１の結合ポートは結合された第２の結合ポートに関して付加的に１／２λの遅延を与え、λはマグネトロンの動作波長を表している請求項６６記載のマグネトロン。
【請求項６８】
前記陽極の外部表面を包囲する少なくとも１つの共通の共振空洞をさらに具備している請求項５７記載のマグネトロン。
【請求項６９】
前記複数の層のそれぞれは第１および第２の結合ポートを規定するため導電性の側壁を有するガイド素子の配置により形成されている請求項５７記載のマグネトロン。
【請求項７０】
複数の層はそれぞれリソグラフで形成された層である請求項５７記載のマグネトロン。
【請求項７１】
マグネトロンは光波長スペクトル内の動作波長λを有している請求項５７記載のマグネトロン。
【請求項７２】
陽極−陰極空間により分離される陽極および陰極と、
陽極と陰極との間に電圧を供給して陽極−陰極空間を横切って電界を設定するための電気接触部と、
電界にほぼ垂直な磁界を陽極−陰極空間内に与えるように配置されている少なくとも１つの磁石と、
陽極−陰極空間を規定する陽極表面に沿って開口をそれぞれ有する複数の共振空洞とを含んでおり、前記陰極から放射された電子は電界および磁界により影響されて陽極−陰極空間を通る通路を移動し、共振空洞に共振フィールドを生成するために共振空洞の開口に近接して通過し、さらに、
陽極の外周を囲んでいる共通の共振器を含んでおり、少なくとも複数の共振空洞のうちの幾つかがπモード動作を誘起するように結合ポートを介して結合されており、
少なくとも幾つかの結合ポートは他の結合ポートに関して付加的に１／２λの遅延を生成し、λはマグネトロンの動作波長であるマグネトロン。
【請求項７３】
少なくとも幾つかの結合ポートは湾曲部をそれぞれ含んでいる請求項７２記載のマグネトロン。
【請求項７４】
前記湾曲部は結合ポートのＨ平面にある請求項７３記載のマグネトロン。
【請求項７５】
湾曲部は結合ポートのＥ平面にある請求項７３記載のマグネトロン。
【請求項７６】
陽極−陰極空間が位置されている中空シリンダを形成するために複数のウェッジを並べて配置し、各ウェッジにおいて陽極−陰極空間に露出される開口を有する少なくとも部分的に共振空洞を規定する第１の凹部を形成するマグネトロンの陽極を製造する方法。
【請求項７７】
複数の座金形層を重ねて陽極−陰極空間が位置されている中空シリンダを形成し、複数の層の各層において、複数の層の他の層の凹部と整列されている複数の凹部を内部直径に沿って形成し、陽極−陰極空間への開口をそれぞれ有するシリンダの軸に沿って複数の共振空洞を規定するマグネトロンの陽極を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光源、特に光マグネトロン形態の高効率の光源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マグネトロンは技術でよく知られている。マグネトロンはマイクロ波エネルギの高効率ソースとして長い間使用されている。例えばマグネトロンは種々の食品を加熱および調理するのに十分なマイクロ波エネルギを発生するために電子レンジで普通に使用される。マグネトロンの使用は、これが高効率で動作し、したがって過剰な電力消費、熱放散に関連する高いコストを避ける点で望ましい。
【０００３】
マイクロ波マグネトロンは回転する電子空間電荷を発生するために一定の磁界を使用する。空間電荷はマイクロ波放射を発生するため複数のマイクロ波共振空洞と相互作用する。マグネトロンは約１００ギガヘルツ（Ｇｈｚ）より下の最大の動作周波数に通常限定される。さらに高い周波数動作は従来は恐らく種々の理由で実用的であるとは考えられていなかった。例えば、非常に高い磁界はマグネトロンを非常に小型にするために必要とされた。さらに非常に小さいマイクロ波共振器を製造するすることはかなり困難である。このような問題によって従来はもっと高い周波数のマグネトロンは不可能で非実用的であった。
【０００４】
一般的なマイクロ波マグネトロンに関連する前述の欠点を考慮すると、１００ギガヘルツを超える周波数で動作するための実用的な物として適切であるマグネトロン（即ち光マグネトロン）が強く必要とされた。例えば、一般的なタイプの光源（例えば白熱灯、蛍光灯、レーザ等）と比較して高い効率で光を発生できる光源が技術で強く必要とされている。このような光源は光通信、商用、産業用照明、製造等を含む種々の応用で有効であるがそれらに限定されない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は通常のマグネトロンでは従来可能でなかった周波数で動作するのに適した光マグネトロンを提供する。本発明の光マグネトロンは、赤外線、可視光領域から紫外線、Ｘ線等の高い周波数帯域まで延在する周波数で高効率の高パワー電磁エネルギを発生できる。結果として、本発明の光マグネトロンは長距離光通信、商用および産業上の照明、製造等の種々の応用の光源として機能することができる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の光マグネトロンは非常に高い磁界を必要としないので有効である。むしろ光マグネトロンはさらに合理的な強度の磁界を使用することが好ましく、永久磁石から得られる磁界の使用はさらに好ましい。磁界強度は（ここでは陽極−陰極空間とも呼ばれる）陰極と陽極との間の相互作用区域内の電子空間電荷の回転半径を決定する。陽極は所望の動作周波数にしたがって寸法を定められた複数の小さい共振空洞を含んでいる。πモードとして知られているモードで動作するために複数の共振空洞を拘束する機構が設けられる。特に、各共振空洞はそれにすぐ隣接する共振空洞と逆位相でπ放射を発振するために拘束される。出力結合器または結合器アレイは有効な出力パワーを出力するために共振空洞から光放射を外部に結合するために設けられている。
【０００７】
本発明はまたこのような光マグネトロンを生成するための多くの適切な方法を提供する。このような方法は陽極−陰極空間を規定する陽極壁に沿った非常に多数の共振空洞の生成を含んでいる。例えば種々の半導体装置の製造で普通に使用されているフォトリソグラフおよび／またはマイクロ機械加工技術を使用して共振空洞が形成される。所定の陽極はこのような技術に基づいて、数万、数十万、または数百万の共振空洞を含んでもよい。πモードで発振するように共振空洞を拘束することによって、通常のマグネトロンに匹敵するパワーレベルおよび効率を生成することが可能である。
【０００８】
本発明の１特徴によって光マグネトロンが提供される。この光マグネトロンは複数の共振空洞を使用して電気エネルギを光放射へ変換する。
【０００９】
本発明の１つの特別な特徴による光マグネトロンは、陽極−陰極空間により分離された陽極および陰極と、陰極と陽極との間にｄｃ電圧を供給して陽極−陰極空間を横切って電界を設定するための電気接触部と、電界にほぼ垂直なｄｃ磁界を陽極−陰極空間内に与えるように配置されている少なくとも１つの磁石と、陽極−陰極空間を規定する陽極表面に沿って開口をそれぞれ有する複数の共振空洞とを含んでおり、それによって陰極から放射された電子は電界および磁界により影響されて陽極−陰極空間を通る通路を移動し、共振空洞に共振フィールドを生成するために共振空洞の開口に近接して通過し、共振空洞は約１０ミクロン以下の波長λを有する周波数で共振するようにそれぞれ設計される。
【００１０】
本発明の別の特徴にしたがって光マグネトロンが提供され、これは半径ｒｃを有する円筒形の陰極と、半径ｒａを有し、幅ｗａ＝ｒａ−ｒｃを有する陽極−陰極空間を規定するため陰極と同軸に整列する環状形陽極と、陽極と陰極との間にｄｃ電圧を与え、陽極−陰極空間を横切って電界を設定する電気接触部と、電界にほぼ垂直なｄｃ磁界を陽極−陰極空間内に与えるように配置されている少なくとも１つの磁石と、陽極−陰極空間を規定する陽極表面に沿って開口をそれぞれ有する複数の共振空洞を含んでおり、それによって陰極から放射される電子は電界および磁界により影響されて陽極−陰極空間を通る通路を移動し、共振空洞に共振フィールドを生成するために共振空洞の開口に近接して通過し、共振空洞は波長λで共振するようにそれぞれ設計され、陽極の表面の円周２πｒａはλよりも大きい。
【００１１】
本発明の別の特徴によれば、光マグネトロンは、陽極−陰極空間により分離された陽極および陰極と、陰極と陽極の間にｄｃ電圧を供給して陽極−陰極空間を横切って電界を設定する電気接触部と、電界にほぼ垂直なｄｃ磁界を陽極−陰極空間内に与えるように配置されている少なくとも１つの磁石と、陽極−陰極空間を規定する陽極表面に沿って形成されたＮ個の共振空洞の高密度アレイとを含んでおり、Ｎ個の各共振空洞は開口を有し、それによって陰極から放射された電子は電界および磁界により影響されて陽極−陰極空間を通る通路を移動し、共振空洞に共振フィールドを発生するため共振空洞の開口に近接して通過し、ここでＮは１０００よりも大きい整数である。
【００１２】
本発明のさらに別の特徴によれば、マグネトロンは、陽極−陰極空間により分離された陽極および陰極と、陰極と陽極との間にｄｃ電圧を供給して陽極−陰極空間を横切って電界を設定する電気接触部と、電界にほぼ垂直なｄｃ磁界を陽極−陰極空間内に与えるように配置されている少なくとも１つの磁石と、陽極−陰極空間を規定する陽極表面に沿って開口をそれぞれ有する複数の共振空洞とを含んでおり、それによって陰極から放射された電子は電界および磁界により影響されて陽極−陰極空間を通る通路を移動し、共振空洞に共振フィールドを発生するために共振空洞の開口に近接して通過し、さらにマグネトロンは陽極の外周を囲んでいる共通の共振器を含んでおり、少なくとも複数の共振器空洞のうちの幾つかがπモード動作が行われるようにその共通の共振器に結合されている。
【００１３】
本発明のさらに別の特徴によれば、マグネトロンは、陽極−陰極空間により分離された陽極および陰極と、陽極と陰極との間にｄｃ電圧を供給して陽極−陰極空間を横切って電界を設定する電気接触部と、電界にほぼ垂直なｄｃ磁界を陽極−陰極空間内に与えるように陽極の対向端部に配置されている１対の磁石と、陽極−陰極空間を規定する陽極表面に沿って開口をそれぞれ有する複数の共振空洞とを含んでおり、それによって陰極から放射された電子は電界および磁界により影響されて陽極−陰極空間を通る通路を移動し、共振空洞に共振フィールドを生成するために共振空洞の開口に近接して通過し、陽極は少なくとも１つの上部陽極と下部陽極を具備し、上部陽極の共振空洞は第１の波長を有する周波数で共振するようにそれぞれ設計され、下部陽極の共振空洞は第１の波長とは異なる第２の波長を有する周波数で共振するようにそれぞれ設計されている。
【００１４】
本発明のさらに別の特徴によれば、光マグネトロンの陽極を形成する方法が提供される。この方法は第１の材料から作られている円筒形コアの外部表面の周囲にフォトレジスト層を形成し、フォトレジスト層をパターン化しエッチングして複数のスロットを規定するように円筒形コアの外部表面から放射的に延在する複数のベーンを形成し、フォトレジストおよび第１の材料とは異なる第２の材料により円筒形コアおよびベーンをメッキし、複数のスロットを有する円筒形の陽極を生成するためにメッキからベーンと円筒形コアを除去するステップを含んでいる。
【００１５】
さらに別の特徴によれば、光マグネトロンの陽極を形成する方法が提供され、この方法は陽極が作られる材料の層を形成し、この層をパターン化しエッチングして陽極の内周に沿って形成される複数の共振空洞を有する円筒形陽極の第１の層を形成し、材料の少なくとも１つのその次の層を形成し、陽極の垂直の高さを増加するためにパターン化し、エッチングするステップを反復するステップを含んでいる。
【００１６】
本発明の別の特徴によればマグネトロンが提供され与えられ、これは、陽極−陰極空間により分離される陽極および陰極と、陰極と陽極間に電圧を供給して陽極−陰極空間を横切って電界を設定する電気接触部と、陽極−陰極空間内に磁界を与えるように配置されている１対の磁石とを含んでいる。陽極は中空シリンダを形成するために並んで配置されている複数のウェッジを含み、各ウェッジは陽極−陰極空間に露出されている開口を有する共振空洞を部分的に規定する第１の凹部を具備している。
【００１７】
本発明の別の特徴により提供されるマグネトロンは、陽極−陰極空間により分離された陽極および陰極と、陰極と陽極との間に電圧を供給して陽極−陰極空間を横切って電界を設定する電気接触部と、電界にほぼ垂直な磁界を陽極−陰極空間内に与えるように配置されている少なくとも１つの磁石とを含んでいる。陽極は中空シリンダを形成するために相互に重ねてスタックされている複数の座金形の層を含み、複数の層はそれぞれ複数の層の他の層の凹部と整列されている内部直径に沿って複数の凹部を含んでおり、陽極−陰極空間への開口をそれぞれ有するシリンダの軸に沿って複数の共振空洞を規定する。
【００１８】
本発明の別の特徴によれば、マグネトロンが提供され、これは陽極−陰極空間により分離された陽極および陰極と、陽極と陰極との間に電圧を提供し陽極−陰極空間を横切って電界を設定するための電気接触部と、電界に垂直な陰極−陽極空間内に磁界を与えるように配置されている少なくとも１つの磁石と、陽極−陰極空間を規定する陽極表面に沿って開口をそれぞれ有する複数の共振空洞とを含んでおり、それによって陰極から放射された電子は電界および磁界により影響されて陽極−陰極空間を通る通路を移動し、共振空洞に共振フィールドを発生するために共振空洞の開口に近接して通過し、さらにマグネトロンは陽極の外周を囲んでいる共通の共振器を含んでおり、少なくとも複数の共振器空洞のうちの幾つかがπモード動作を誘起するように結合ポートを介して結合されており、少なくとも幾つかの結合ポートは他の結合ポートに関して付加的に１／２λの遅延を生成し、λはマグネトロンの動作波長である。
【００１９】
本発明の別の特徴はマグネトロンの陽極を製造する方法にある。この方法は、陽極−陰極空間が位置されている中空シリンダを形成するために並べて複数のウェッジを並べて配置し、各ウェッジに陽極−陰極空間において、露出される開口を有する少なくとも部分的に共振空洞を規定する第１の凹部を形成することを含んでいる。この方法はまた陽極−陰極空間が位置されている中空シリンダを複数の座金形層を重ねて形成し、複数の層の各層において、複数の層の他の層の凹部と整列されている複数の凹部を内部直径に沿って形成し、陽極−陰極空間への開口をそれぞれ有するシリンダの軸に沿って複数の共振空洞を規定する。
【００２０】
前述および関連する目的を実現するため、本発明は以下十分に説明し特に特許請求の範囲で指摘されている特徴を含んでいる。以下の説明および添付図面は本発明の詳細なある例示的な実施形態を説明するものである。しかしながら、これらの実施形態は本発明の原理が使用されてもよい種々の方法の幾つかを単に示したものである。本発明のその他の目的、利点、優れた特徴は本発明の以下の詳細な説明を図面を伴って考察するときに明白になるであろう。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明を図面を参照して詳細に説明する。同一の参照符号を全体を通じて同一の素子を示すために使用する。
【００２２】
図１を最初に参照すると、光通信システム２０が示されている。本発明により、光通信システム２０は光マグネトロン２２を含んでいる。光マグネトロン２２は地点間で光学的に情報を通信するために使用されることのできる出力光の高効率の光源の役目をする。光マグネトロン２２をここでは光通信システム２０で使用する文脈で説明しているが、光マグネトロン２２は種々の他の応用で有効であることが認識されよう。本発明は任意のおよび全てのこのような応用を考慮に入れている。
【００２３】
図１で示されているように、光マグネトロン２２は例えば赤外線、紫外線または可視光領域のコヒーレントな光のような光放射２４を出力するように機能する。光放射は好ましくは１００Ｇｈｚ以上の周波数に対応する波長を有する放射である。さらに特別な実施形態では、光マグネトロン２２は約１０ミクロンから約０．５ミクロンの範囲の波長を有する光放射を出力する。さらに特別な実施形態によると、光マグネトロンは約３．５ミクロンから約１．５ミクロンの範囲の波長を有する光放射を出力する。
【００２４】
光マグネトロン２２により発生される光放射２４は変調器２６を通過し、この変調器２６は既知の技術を使用して放射２４を変調する。例えば、変調器２６は通信されるデータに基づいて制御されるコンピュータである光シャッタであってもよい。放射２４は変調された放射２８として変調器２６により選択的に送信される。受信装置３０は変調された放射２８を受信し、その後復調し、送信されたデータを獲得する。
【００２５】
通信システム２０は動作ｄｃ電圧を光マグネトロン２２へ与える電源３２をさらに含んでいる。以下さらに詳細に説明するように、光マグネトロン２２は陰極と陽極の間に与えられるｄｃ電圧で動作する。例示的な実施形態では、動作電圧は３０キロボルト（ｋＶ）乃至５０ｋＶ程度である。しかしながら、他の動作電圧も可能であることが認識されよう。
【００２６】
図２、３を参照すると、光マグネトロン２２の第１の実施形態が示されている。マグネトロン２２は半径ｒｃを有する円筒形の陰極４０を含んでいる。陰極４０のそれぞれの端部にはエンドキャップ４１が含まれている。陰極４０はそれと同軸に整列されている中空円筒形状の陽極４２内に含まれている。陽極４２はｒｃよりも大きい内部半径ｒａを有し、これによって陰極４０の外部表面４８と陽極４２の内部表面５０との間の相互動作区域または陽極−陰極空間４４を規定している。
【００２７】
端子５２と５４は絶縁体５５をそれぞれ通り、陰極４０を加熱するためのパワーを与えさらに負（−）の高電圧を陰極４０へ供給するために陰極４０に電気的に接続されている。陽極４２は端子５６を経て高電圧供給の正（＋）または接地端子へ電気的に接続されている。動作中、電源３２（図１）は端末５２と５４を経て陰極４０へヒータ電流を与える。同時に電源３２は端子５２と５４を経てｄｃ電圧を陰極４０と陽極４２へ与える。ｄｃ電圧はｄｃ電界Ｅを発生し、これは陽極−陰極空間４４を通じて陰極４０と陽極４２間に放射状に延在する。
【００２８】
光マグネトロン２２はさらに陽極４２のそれぞれの端部に位置する１対の磁石５８と６０を含んでいる。磁石５８と６０は陽極−陰極空間４４を通って電界Ｅに垂直な軸方向のｄｃ磁界Ｂを与えるように構成されている。図３で示されているように、磁界Ｂは陽極−陰極空間４４内に紙面に向かう方向である。例示的な実施形態の磁石５８と６０は例えば２キロガウス程度の磁界Ｂを発生する永久磁石である。認識されるように、磁界を発生する他の手段（例えば電磁石）が代わりに使用されてもよい。しかしながら１以上の永久磁石５８および６０は、光マグネトロン２２が例えばある程度の可搬性を与えることが所望される場合には特に好ましい。
【００２９】
交差した磁界Ｂと電界Ｅは陰極４０から放出された電子に影響を与えて、陽極−陰極空間４４を通じる湾曲した通路を移動する。十分なｄｃ磁界Ｂにより、電子は陽極４２に到達しないで、陰極４０へ戻る。
【００３０】
図４のａ−ｃを伴って以下詳細に説明するように、例えば陽極４２の内部表面５０は周辺に沿って分布されている複数の共振空洞を含んでいる。好ましい実施形態では、共振空洞は軸方向で延在する偶数の等間隔のスロットにより形成される。陰極４０から放出された電子が陽極−陰極空間４４を通る前述の湾曲した通路を移動し、これらの共振空洞の開口に近接して通過するとき、共振フィールドが共振空洞内に生成される。特に、陰極４０から放出された電子は共振空洞に近接して通過する回転電子雲を形成する傾向がある。電子雲は共振空洞の電磁界を励起して、これらを発振または“リング”させる。これらの永続的な振動フィールドはさらに通過する電子を加速または減速して、電子雲を集群させて、電荷の回転スポークを形成させる。
【００３１】
陰極、陽極、交差した電界および磁界、共振空洞を含むこのような動作は１００Ｇｈｚより下の周波数で動作する通常のマグネトロンに関しては一般的に知られている。しかしながら前述したように、さらに高い周波数動作は種々の理由で過去においては実用されていない。本発明は１００Ｇｈｚよりも高い周波数で動作する実用的な装置を与えることにより、このような欠点を克服する。通常のマグネトロンと異なって、本発明は少数の共振空洞に限定されず、この共振空洞を経て所望の出力放射を発生する。さらに、本発明は装置内に非常に高い磁界とパワー密度を必要とする非常に小さい装置に限定されない。
【００３２】
特に、光マグネトロン２２は陽極４２内に比較的多数の共振空洞を含んでいる。これらの共振空洞は以下十分に説明するように、フォトリソグラフィ、マイクロ機械加工、電子ビームリソグラフィ、反応性イオンエッチング等のような高い正確度の技術を使用して形成されることが好ましい。光マグネトロン２２は動作波長λと比較して比較的大きい陽極４２を有し、それによって２πｒａに等しい内部陽極表面５０の周囲は実質上動作波長λよりも大きい。結果として、非常に高い磁界を必要とせず、例えばマイクロ波帯域で使用される通常のマグネトロンと同一サイズであるという両者の意味で光マグネトロン２２は実用的である。
【００３３】
図２の例示的な実施形態では、１つおきの共振空洞はそれぞれの共振空洞から共通の共振空洞６６へエネルギを結合する結合ポート６４を含んでいる。結合ポート６４は陽極４２の壁を通して設けられた穴またはスロットにより形成される。共振空洞６６は陽極４２の外部周囲に形成され、陽極４２の外部表面６８と、共振空洞構造７２内に形成される空洞規定壁７０により規定されている。図２と図３で示されているように、共振空洞構造７２は陽極４２の周辺に適合する円筒形のスリーブを形成する。共振空洞６６はそれぞれの共振空洞から結合ポート６４と整列されるように位置付けられる。共振空洞６６は図４のｃと共に以下さらに十分説明されるようにπモードで動作するために複数の共振空洞を拘束する。
【００３４】
さらに、空洞構造７２は多くの例では非常に薄い陽極４２に対する構造上の支持体を与える役目をしてもよい。空洞構造７２はまた高温動作の場合に陽極４２の冷却を容易にする。
【００３５】
共通の共振空洞６６は出力光放射２４として共振空洞６６から透明な出力ウィンドウ７６を通ってエネルギを結合するように作用する少なくとも１以上の出力ポート７４を含んでいる。出力ポート７４は共振空洞構造７２の壁を通して設けられる穴またはスロットにより形成される。
【００３６】
図２と図３で示されている構造は、ここで説明されている他の実施形態と共に、陽極−陰極空間４４と共振空洞６６が真空内に維持されるように構成されることが好ましい。これは塵または屑が装置に入りその動作を妨害することを阻止する。
【００３７】
図４のａは一般的な実施形態による陽極４２の一部分の断面図を表している。認識されるように、断面は陽極４２と陰極４０の共通軸に垂直な平面で取られたものである。陽極４２の湾曲は図示を容易にするために示されていない。図示されているように、陽極４２内の各共振空洞は陽極４２の表面５０に形成されるスロット８０により表されている。例示的な実施形態では、スロット８０は共振を可能にするためλ／４に等しい深さｄを有し、ここでλは所望の動作周波数における出力光放射２４の波長を表している。スロット８０はλ／２以下の距離だけ隔てられ、各スロットはλ／８以下に等しい幅ｗを有する。スロット幅ｗはλ／８以下でなければならず、それによって示されているように電界がπモード動作で反対になる前に電子がスロット８０を通過することを可能にする。
【００３８】
陽極４２のスロット８０の総数Ｎは、陽極−陰極空間４４を通って移動する電子が好ましくは光の速度ｃよりも実質上遅く（例えば約０．１乃至０．３ｃ程度で）移動するように選択される。スロット８０は陽極４２の内部周囲面に均等な間隔で配置され、総数Ｎはπモード動作を許容するために偶数であるように選択される。スロット８０の長さはやや任意であってもよいが、陰極４０の長さと類似であることが好ましい。説明を簡単にするため、Ｎ個のスロット８０は陽極４２の周囲に１からＮの順序で番号を付けられると考えられている。
【００３９】
図４のｂは所望の動作周波数でπモード発振を容易にするように設計された陽極４２の特定の実施形態を表している。前述のスロット８０は実際に長いスロット８０ａと短いスロット８０ｂからなる。長いスロット８０ａと短いスロット８０ｂは図４のｂで示されているように交互の方法でλ／４の間隔で配置されている。長いスロット８０ａと短いスロット８０ｂは好ましい実施形態では、深さの比が２：１で平均的な深さλ／４を有する。結果として、長いスロット８０ａはλ／３に等しい深さｄｌを有し、短いスロット８０ｂはλ／６に等しい深さｄｓを有する。長いスロットと短いスロットのこのような配置は“ライジングサン”構造としてマイクロ波帯域で知られている。このような構造は長いスロット８０ａの長いスロット８０ａの位相を遅らせ、短いスロット８０ｂの位相を進ませてπモードの発振を容易にする。
【００４０】
図４のａおよびｂでは示されていないが、それぞれのスロット８０により形成される１以上の共振空洞は１以上の結合ポート６４を含み、これは例えば図２および３で表されているようにスロット８０内から共通の共振空洞６６へエネルギを結合する。代わりに、結合ポート６４は例えば図９および１０の実施形態を伴って以下後述するように出力ウィンドウ７６を通って直接それぞれのスロット８０内からエネルギを結合する役目を行う。結合ポート６４は好ましくは構造的に加算されるように相互に同位相であるスロット８０に関して設けられている。代わりに１以上の位相シフタが全て同位相であるように結合ポート６４からの放射の位相を調節するために使用されてもよい。
【００４１】
図４のｃは所望の動作周波数でπモード発振を助長するように設計されている陽極４２の別の特別な実施形態を表している。陽極４２のこのような実施形態は特に図２、３の実施形態で表されている。共通の共振空洞６６の形態の外部安定化共振器は本発明にしたがってπモード発振を容易にする役目を行う。特に１つおきのスロット８０（即ち偶数のスロットまたは奇数のスロット）は全て同位相であるようにそれぞれの結合ポート６４を経て共振空洞６６へ結合される。スロット８０はλ／２の間隔で隔てられ、そうでなければそれぞれλ／４に等しい深さｄを有する。
【００４２】
認識されるように、ここで説明されている各実施形態のスロット８０はマイクロ共振器を表している。以下の表は本発明にしたがった光マグネトロン２２の例示的な寸法等を与えている。陰極４０の半径ｒｃが２ミリメートル（ｍｍ）で、陽極４２の内部半径ｒａが７ｍｍで、長さが１センチメートル（ｃｍ）、磁界Ｂが２キロガウス、電界Ｅの電位が３０ｋＶ乃至５０ｋＶである実際的な寸法の装置の場合、図４のｃの構造のケースのスロット８０に関する寸法は例えば以下のように示される。
2004503907.tif 000003
このようなマグネトロン２２の出力は連続波で１キロワット（ｋＷ）程度でありパルスでは１メガワット（ＭＷ）である。さらに、効率は８５％程度である。結果として、本発明のマグネトロン２２は、通信、照明、製造等の高効率、高パワー出力を使用する任意の応用で良好に適切である。
【００４３】
スロット８０により形成されるマイクロ共振器または共振空洞は半導体製造工業から利用可能な種々の異なる技術を使用して製造されることができる。例えば既存のマイクロ機械加工技術は幅２．５ミクロン程度のスロットの形成に適している。特別な製造技術を以下説明するが、導電性の中空シリンダ陽極本体が所望の幅と深さを有するスロット８０を生成するためレーザビームにより制御可能にエッチングされてもよいことが認識されよう。代わりに、フォトリソグラフ技術が使用されてもよく、そこでは陽極４２はスロット８０を表す歯により相互に積層された導電層の連続によって形成される。さらに高い周波数の供給（例えばλ＝０．５×１０−４ｍｍ）では、半導体処理で使用される電子ビーム（ｅビーム）技術は陽極４２内にスロット８０を形成するために使用されてもよい。しかしながら最も広い意味では、本発明は任意の特定の製造方法に限定されない。
【００４４】
図５を参照すると、本発明にしたがった光マグネトロンの別の実施形態が２２ａで示されている。このような実施形態は以下の点を除いて図２と図３の実施形態と事実上同一である。この実施形態の共通の共振空洞６６は、トロイダル形状の共振空洞６６を形成するために湾曲された外部壁７０を有する。外部壁７０の曲率半径は動作周波数に応じて、２．０ｃｍ乃至２．０ｍ程度である。トロイダル形状の共振空洞６６は所望の動作周波数でπモード発振を制御する共通の共振空洞６６の能力を改良する役目をする。
【００４５】
偶数番号のスロット８０からの各結合ポート６４は例えば湾曲した外部壁７０の頂点と陽極４２の中心で水平に整列されていることに留意する。これは陽極４２の中心方向に共振光放射を集中し、円筒形陽極４２の端部からの光の漏洩を減少する傾向がある。奇数番号のスロット８０はこのような結合ポート６４を含まず、したがって偶数番号のスロット８０と異なる位相で発振するように駆動される。
【００４６】
図６は２２ｂで示されている光マグネトロンの別の実施形態を示している。図６の実施形態は事実上以下の点を除いて図５の実施形態と同一である。この特定の実施形態ではマグネトロン２２ｂは二重トロイダルの共通共振器を具備している。特にマグネトロン２２ｂは共振空洞構造７２中に形成されている第１のトロイダル形状の共通共振器６６ａと第２のトロイダル形状の共通共振器６６ｂを含んでいる。全体でＮ個の総数のスロット８０中の各偶数番号のスロット８０は結合ポート６４ａにより第１の空洞６６ａへ結合されている。Ｎ個のスロット８０中の各奇数番号のスロット８０は結合ポート６４ｂにより第２の空洞６６ｂへ結合されている。
【００４７】
第１の共振空洞６６ａは所望の動作周波数よりも僅かに高い周波数で共振モードをロックするように設計された高い周波数の共振器である。第２の共振空洞６６ｂは所望の周波数よりも僅かに低い周波数で共振モードをロックするように設計された低い周波数共振器であり、したがって装置全体は所望の動作周波数に対応する中間平均周波数で発振する。第１の共振空洞６６ａ内の高い周波数モードは所望の動作周波数について位相を進ませ、第２の共振空洞６６ｂ内の低い周波数モードは位相を遅らせ、短いスロット８０ｂの位相を進ませる傾向がある。したがってπモード動作が生じる。
【００４８】
出力放射２４は出力ポート７４ａと７４ｂの一方または両者から与えられることができる。両ポートからの出力が相互に関して逆位相であるので、出力ポート７４ａと７４ｂの一方に位相シフタ（図示せず）を含むことが望ましい。
【００４９】
先の実施形形態のように、空洞６６ａと６６ｂの外部壁７０ａと７０ｂの曲率半径はそれぞれ２．０ｃｍ乃至２．０ｍ程度である。しかしながら曲率半径は所望の動作周波数に関して所望の高い／低い周波数動作を行うように、壁７０ａと７０ｂでそれぞれ僅かに短いか長く設計される。
【００５０】
異なる実施形態では、２よりも多数の共振空洞６６が動作をπモードに制限するため陽極４２の周辺で形成されてもよい。本発明は必ずしも特定の数に限定されるわけではない。さらに、図６の実施形態の空洞６６ａと６６ｂは代わりに先に説明し認識されるように、オフセットではない所望の周波数で両者とも動作するように設計されてもよい。
【００５１】
図７のａと７のｂを参照すると、光マグネトロンの別の実施形態が示され、２２ｃで示されている。この実施形態は１つおきのスロット８０（即ち全ての偶数番号のスロットまたは全ての奇数番号のスロット）がどのようにそれぞれの共振空洞から共通の共振空洞６６へエネルギを結合するための１より多数の結合ポート６４を含んでいるかを示している。例えば図７のａは陽極４２中に形成される偶数番号のスロット８０がどのようにそれぞれのスロット８０に３または４の結合ポート６４を交互に有しているかを示している。他の実施形態のように、結合ポート６４はエネルギを共通の共振空洞６６に結合し、それによって発振モードをさらに良好に制御し、πモード動作を誘起する。また、図７のａと７のｂで示されているように、光マグネトロン２２ｃは共振空洞６６から出力ウィンドウ７６を経て出力光放射２４を結合するための多数の出力ポート７４ａ、７４ｂ、７４ｃ等を含んでもよい。ここで説明されているように、出力ポート７４および／または結合ポート６４のアレイを形成することによって、認識されるように行われる結合量を制御することが可能である。
【００５２】
図７のａでは示されていないが、共通の共振空洞６６が例えば図５の実施形態のようなトロイダル形状の空洞と置換できることが認識されるであろう。さらに、本発明による光マグネトロン２２はここで説明されている種々の特徴および実施形態の任意の組合わせ、即ち（ｉ）光波長程度の小さい寸法まで所望の動作波長にしたがってスケールされてもよい複数の共振空洞８０を具備した陽極構造と、（ｉｉ）共振空洞８０をいわゆるπモードで動作させ、それによって各共振空洞８０を最も近い隣接する空洞とπラジアン異なる位相で発振させる構造と、（ｉｉｉ ）有効な出力パワーを転送するために共振空洞から光放射を結合する手段により構成されてもよいことが容易に認識されよう。異なるスロット８０構造がここで説明され、これは共振空洞を拘束する１以上の共通の共振空洞の異なる形態である。さらに、ここでの説明は結合ポート６４と出力ポート７４の種々の形態および配置により共振空洞からパワーを結合する手段を与える。他方で、本発明は最も広い意味において、ここで説明する特定の構造に限定されることを意図しない。
【００５３】
図８を簡単に参照すると、本発明の垂直に積層されたマルチ周波数の実施形態が示されている。この実施形態では、陽極４２は上部陽極４２ａと下部陽極４２ｂとに分割されている。上部陽極４２ａには、スロット８０ａが第１の動作周波数λ１ に対応する幅、間隔、数で設計されている。他方で、下部陽極４２ｂのスロット８０ｂは第１の動作周波数λ１ とは異なる第２の動作周波数λ２ に対応する幅、間隔、数で設計されている。
【００５４】
上部陽極４２ａの偶数番号のスロット８０ａは、例えば上部陽極４２ａで形成された回転電子雲から上部の共通の共振空洞６６ａへエネルギを結合する結合ポート６４ａを含んでいる。同様に、下部陽極４２ｂの偶数（または奇数）番号のスロット８０ｂは下部陽極４２ｂ中に形成された回転電子雲から下部の共通の共振空洞６６ｂへエネルギを結合する結合ポート６４ｂを含んでいる。上部および下部の共通の共振空洞６６ａと６６ｂは上部陽極４２ａと下部陽極４２ｂのそれぞれの周波数λ１ とλ２ でπモード発振を行うように作用する。共通の共振空洞６６ａと６６ｂからのエネルギはそれぞれ１以上の出力ポート７４ａと７４ｂを経て出力ウィンドウ７６を通って出力される。
【００５５】
したがって、図８で示されているように本発明は異なる動作周波数（例えばλ１ とλ２ ）をそれぞれ有する２以上の陽極共振器を垂直に積層する方法を提供する。陽極（例えば上部陽極４２ａと下部陽極４２ｂ）は１対の磁石５８と６０間に垂直に積層されてもよい。積層された装置はそれ故多数の周波数を放出する。例えば可視光周波数で動作するマグネトロンでは、赤、緑、青波長で発振する陽極共振器は１つの装置で垂直に積層されてもよい。光出力は色ディスプレイの一部として別々に使用してもよく、例えば白色光源を生成するために結合されてもよい。
【００５６】
図９および図１０は結合ポート６４を経て出力ウィンドウ７６を通って直接出力結合を与える本発明の１実施形態を示している。図１０は陽極−陰極空間４４内の回転する電子雲が通過するとき、それがどのようにしてスロット８０の開口と結合ポート６４にフリンジフィールド９０を生成するかを示している。結合ポートの開口のフリンジフィールド９０は出力放射フィールド９２として陽極４２の反対側から放射される。
【００５７】
図９は図１０で表されているように出力放射フィールド９２が直接出力ウィンドウ７６を通って出力されている１実施形態を示している。ここで説明されている他の実施形態では、結合ポート６４を通る放射は図１０で表されている方法と同様に、最初に共通の共振空洞６６へ導入される。共通の共振空洞６６は前述したようにπモード動作の改良された制御を与える。それにもかかわらず、本発明は恐らく効率は劣るが、結合ポート６４が出力ウィンドウ７６へ直接的に出力放射を与える場合に有効である１実施形態を考慮する。このような場合、図９で示されているように、出力放射を出力ウィンドウ７６へ誘導する以外にはスロット８０に結合ポート６４は必要ではない。しかしながら、図１０の結合原理は認識されるようにここで説明した全ての結合ポート６４と出力ポート７４へ適用される。
【００５８】
図１１のａ−ｃは、本発明によるＴＥＭ２０モードの動作用に設計された光マグネトロン２２ｅの１実施形態を示している。この実施形態は、湾曲した外部壁７０を有するトロイダル形状の共振空洞６６を含んでいる点で、図５を伴って前述した実施形態と類似している。この実施形形態は、偶数番号のスロット８０が図１１のｂで示されているように湾曲した外部壁７０の頂点と整列している単一の結合ポート６４ａを有する点で図５の実施形態と異なる。結果として、偶数番号のスロット８０は共振空洞６６の中心スポット１００ を励起する傾向がある。他方で、奇数番号のスロット８０は図１１のｃで示されているように、湾曲した外部壁７０の頂点の反対側で垂直にオフセットする２つの結合ポート６４ｂと６４ｃを含んでいる。したがって、奇数番号のスロット８０は共振空洞６６の中心スポット１０２ を励起する傾向がある。結果はトロイダル形状の共振空洞６６内のＴＥＭ２０の単一モードである。中心スポット１００ は外部スポット１０２ の電界の方向（例えば紙面の方向）と反対の電界の方向（例えば図１１のｂと図１１のｃの紙面から上方へ出る）を有する。電界は各半サイクルの振動で方向を変更する。偶数番号のスロット８０はしたがって、奇数番号のスロット８０に関して逆位相で駆動された電界を有し、スロット８０を所望のπモードで動作させるように作用する。
【００５９】
図１１のｄ−ｆは、本発明によるＴＥＭ１０モードの動作用に設計された光マグネトロン２２ｆの１実施形態を示している。この実施形態は、湾曲した外部壁７０を有するトロイダル形状の共振空洞６６を含んでいる点で、図５に関して前述した実施形態と類似している。この実施形形態は、偶数番号のスロット８０が図１１のｅで示されているように湾曲した外部壁７０の頂点の上方にオフセットされている結合ポート６４ａを有する点で図５の実施形態と異なる。結果として、偶数番号のスロット８０は共振空洞６６の上部スポット１０４ を励起する傾向がある。
【００６０】
反対に、奇数番号のスロット８０は図１１のｆで示されているように湾曲した外部壁７０の頂点の下方にオフセットされている結合ポート６４ｂを含んでいる。結果として奇数番号のスロット８０は共振空洞６６の下部スポット１０６ を励起する傾向がある。この場合、結果はトロイダル形状の共振空洞６６内のＴＥＭ１０の単一モードが得られる。上部スポット１０４ は、下部スポット１０６ の電界の方向（例えば紙面から上方へ）と反対の電界方向（例えば図１１のｅと図１１のｆの紙面方向）を有する。小さい突出部１０８ または“スポイラ”はＴＥＭ００モードの抑制を助けるために湾曲した外部壁７０の頂点で共振空洞６６の周囲に設けられてもよい。上部および下部スポットのそれぞれの電界は振動の半サイクル毎に方向を変化する。したがって偶数番号のスロット８０は奇数番号のスロット８０に関して逆位相で駆動される電界を有し、スロット８０を所望のπモードで動作させる。
【００６１】
図１１のａ−ｆは本発明にしたがった２つの可能な単一モードを示している。しかしながら、他のＴＥＭモードも本発明の技術的範囲を逸脱せずにπモード制御で使用されてもよいことが認識されよう。
【００６２】
製造に関する限り、マグネトロン２２の陰極４０は認識されるように任意の種々の導電性金属で形成されてもよい。陰極４０は固体であってもよく、または銅、金または銀等の導電性金属で単にメッキされるか、例えば螺旋状に巻付けられたトリウムタングステンフィラメントから製造されてもよい。代わりに、炭素微小管等のマイクロ構造から構成される電界放出陰極４０が使用されてもよい。
【００６３】
陽極４２は導電性金属から形成され、および／または銅、金または銀等の導電層でメッキされた非導電性金属から形作られている。共振空洞構造７２は導電性であっても導電性でなくてもよく、共振空洞６６と出力ポート７４の壁は銅、金または銀等の導電材料でメッキされるかその材料で形成される。陽極４２と共振空洞構造７２は認識されるように別々または１つの一体化した部材として形成されてもよい。
【００６４】
図１２のａおよびｂは、電子ビームリソグラフィ方法を使用して陽極４２を製造する１つの例示的な方法を示している。円筒形の中空アルミニウムロッド１１０ は陽極４２の所望の内部半径ｒａ に等しい半径を有するように選択されている。ポジのフォトレジストの層１１２ は例えば図１２のａで示されているようにロッド１１０ の周面に形成されている。ロッド１１０ の軸に沿ったレジスト層１１２ の長さｌは陽極４２の所望の長さの程度で作られるべきである（例えば１センチメートル（ｃｍ）乃至２ｃｍ）。レジスト層１１２ の厚さは共振空洞またはスロット８０の所望の深さに等しいように制御される。
【００６５】
ロッド１１０ は図１２のｂで表されているように例えば半導体の製造に使用される電子ビームパターン化装置内のジグ１１４ に配置されている。それから、電子ビーム１１６ はロッド１１０ の軸に平行にレジスト層１１２ の長さに沿って個々のラインを露光することによりパターン化するように制御される。認識されるように、これらのラインは陽極４２中に共振器空洞またはスロット８０の側面を形成する役目をする。ラインは隣接スロット８０間の間隔に等しい幅（例えば図４のａおよびｃのような実施形態の場合、量λ／２−λ／８）を有するように制御される。ラインはスロット８０の所望の幅ｗ（例えば図４のａおよびｃのような実施形態の場合、λ／８）相互から隔てられている。
【００６６】
パターン化されたレジスト層１１２ はその後現像され、レジスト層１１２ の露光された部分が除去されるようにエッチングされる。この結果、陽極４２に形成されるスロット８０にそれぞれ対応してレジストから作られた幾つかの小さいフィンまたはベーンを有するロッド１１０ が得られる。ロッド１１０ および対応するフィンまたはベーンはその後、陽極４２の所望の外部直径に対応する厚さ（例えば２ｍｍ）まで銅で電子メッキをされる。認識されるように、銅のメッキはメッキが最終的にロッド１１０ を実質上均等にカバーするまでフィンまたはベーンを囲んで形成される。
【００６７】
レジストから作られるアルミニウムロッド１１０ およびフィンまたはベーンはその後、アルミニウム／レジストと銅間で選択されることが知られている任意の利用可能な溶剤によりアルミニウムとレジストを化学的に溶解することによって銅メッキから除去される。ロストワックスキャスティングとして知られる技術と類似して、残っている銅メッキは所望の共振空洞またはスロット８０を有する陽極４２を形成する。
【００６８】
ネガのフォトレジストによりスロットの逆パターンの形成を除いて、等価の構造が同一技術により形成されてもよいことが認識されよう。
【００６９】
図４のｂの実施形態のような異なる深さを有するスロット８０は同じ技術を使用して形成されてもよいが多数の層のレジストを使用する。第１のレジスト層１１２ は長いスロット８０ａと短いスロット８０ｂ（図４のｂ）との両者に対応してアルミニウムロッド１１０ 上にフィンまたはベーンを形成するようにパターン化されエッチングされる。第１のレジスト層１１２ は短いスロットの深さに対応する厚さｄｓを有する。第２の、後続するレジスト層１１２ は第１のパターン化層上に形成される。第２の層１１２ は長いスロット８０の形成に使用されるフィンまたはベーンの残りの部分を形成するようにパターン化される。換言すると、第２の層１１２ は厚さｄｌ−ｄｓを有する。種々の結合ポート６４は同じ方法で形成されてもよいが、所望の位置に結合ポート６４を規定するため付加的なレジスト層１１２ を有する。ロッド１１０ とレジストはその後銅メッキされ、それによって例えばロッド１１０ とその後溶解されるレジストを有する陽極４２を形成する。結合ポート６４を形成する同じ技術は認識されるように、図４のｃの前述した製造技術に適用されてもよい。
【００７０】
図１３は既知のマイクロ機械加工／フォトリソグラフィ技術を使用して陽極４２が垂直な積層として形成されてもよい方法を示している。銅のような第１の金属層は基体上に形成される。フォトレジスト層が銅に形成され、その後銅は（例えば電子ビームにより）パターン化またはエッチングされて、陽極４２の軸に垂直な平面で共振空洞またはスロット８０を規定する。その後銅層がオリジナル層の上部に形成されエッチングされ、後に所望の長さの陽極４２である積層を生成する。認識されるように、酸化物または幾つかの他の材料の平坦化が銅層の間で形成され、その後除去され、例えばその後銅層を付着するとき存在しているスロットを充填することを防止する。またこのような酸化物は、所望ならば結合ポート６４を規定するために使用されてもよく、このような酸化物は選択的な酸化物／銅エッチングにより次の工程で除去される。
【００７１】
認識されるように、半導体装置の製造に使用される既知のフォトリソグラフィおよびマイクロ機械加工技術は、陽極４２および対応する共振空洞（例えばスロット８０）の所望の溶解を得るために使用されてもよい。それにもかかわらず本発明は最も広い意味において、ここで説明されている特別な方法に限定されることを意図するものではない。
【００７２】
図１４のａ−ｃはここで説明されているようにトロイダル形状を有する共振洞構造７２を形成する技術を示している。例えば、アルミニウムロッド１２０ は図１４のａで示されているように中間に隆起部１２２ を有するように機械加工される。上部および下部１２４ のロッドの半径は、陽極４２の外部半径にほぼ等しく設定され、その陽極４２周辺に構造７２が適合する。隆起部１２２ は構成される構造７２の頂点に対応した半径を有するように機械加工される。
【００７３】
その後、隆起部１２２ は前述したように壁７０の湾曲したトロイダル形状を規定するように丸くされる。次に、このように機械加工されたロッド１２２ は図１４のｂで表されているように構造体７２をその周囲に形成するため銅で電気メッキされる。アルミニウムロッド１２０ は図１４のｃに示されているように構造体７２が得られるように銅の構造体７２から化学的に溶解される。出力ポート７４は例えばマイクロ機械加工（例えばレーザミリング）を使用して必要なときに形成されることができる。
【００７４】
本発明により、光マグネトロンの別の実施形態で使用するのに適した種々の異なる陽極構造４２に関連して図１５乃至３８を参照する。認識されるように、図１５乃至３８で示されている陽極４２はここで前述した他の実施形態、例えば図５乃至９の実施形態の陽極４２で置換されることができる。各陽極４２は陰極４０（図示せず）が同軸に位置される陽極−陰極空間を規定する内部表面５０を有する中空の円筒形状を有している。特定の実施形態に応じて、１以上の共通共振空洞６６（図示せず）は前述の実施形態のように共振空洞構造７２（図示せず）を介して陽極４２の外部周囲周辺に形成される。陽極４２自体の構造だけがここで説明する種々の実施形態に関して関連部分において異なるので、以下の説明は簡潔にする目的で陽極４２に限定される。本発明はここで前述したような任意または全ての異なる陽極構造４２を具備する光マグネトロンを考慮していることが当業者により認識されるであろう。さらに、陽極構造４２は光範囲外の帯域幅のマグネトロンの一部として有用性を有し、本発明の一部として考慮されることが認識されるであろう。
【００７５】
特に、図１５−図１８は本発明の別の実施形態による陽極４２を表している。図１５で示されているように、陽極４２は内部表面５０と外部表面６８とを有する中空の円筒形状を有する。前述の実施形態のように、複数のＮ個（ここでＮは偶数）のスロットまたは空洞８０は内部表面５０に沿って形成される、スロット８０は共振空洞として機能する。スロットまたは空洞８０の数および寸法は前述したように所望の動作波長λに依存している。陽極４２はここでは単にウェッジと呼ぶ複数のパイ形のウェッジ素子１５０ により形成されている。並んで結合されるとき、ウェッジ１５０ は図１５で示されているような陽極構造４２を形成する。
【００７６】
図１６は例示的なウェッジ１５０ の平面図である。各ウェッジ１５０ は（２π／Ｎ）ラジアンに等しい角度幅φと、陽極４２の内部半径ｒａに等しい内部半径ｒａを有する。ウェッジ１５０ の外部半径ｒｏは陽極４２の外部半径ｒｏ（即ち外部表面６８までの半径方向の距離）に対応する。各ウェッジ１５０ はその頂点に沿って形成される凹部１５２ をさらに含んでおり、隣接ウェッジ１５０ の側壁１５４ と組合わせてＮ個のうち１つの共振空洞８０を規定する。
【００７７】
図１６に示されているように、各凹部１５２ はｄに等しい長さを有し、この長さは各共振空洞８０の深さに等しい。さらに各凹部１５２ は幅ｗを有し、これは各共振空洞８０の幅に等しい。したがって、共に並んで結合されるとき、ウェッジ１５０ は陽極４２の内部表面５０を囲んでＮ個の共振空洞８０を形成する。数Ｎ、深さ、幅、共振空洞８０の間の間隔は前述したように所望の動作波長に基づいて選択され、ウェッジ１５０ の寸法はそれに応じて選択される。各ウェッジ１５０ の長さＬ（例えば図１７参照）は認識されるように、陽極４２の所望の高さに等しく設定される。
【００７８】
前述の実施形態のように、ウェッジ１５０ は陽極４２の周囲に配置されている偶数番号および奇数番号のウェッジ１５０ として公称上考慮されてもよい。偶数番号のウェッジ１５０ は偶数番号の空洞８０を生成する凹部１５２ を含み、奇数番号のウェッジ１５０ は奇数番号の空洞８０を生成する凹部１５２ を含んでいる。図１７および図１８はそれぞれ偶数番号と奇数番号のウェッジ １５０ａと １５０ｂの前側部を示している。偶数番号と奇数番号のウェッジ １５０ａと １５０ｂの前方部分はそれぞれ図１７および図１８で示されているように凹部１５２ を含んでいる。しかしながら、さらに各奇数番号のウェッジ １５０ｂは図１８で示されているように結合ポート凹部１６４ を含んでいる。各結合ポート凹部１６４ は隣接ウェッジ １５０ａの後側壁１５４ と組合わせて奇数番号の空洞８０から共通の共振空洞７２へエネルギを結合する単一モード導波体として動作する結合ポート６４を形成する。ただ１つのこのような結合ポート６４が例示により図１５で示されていることに注意すべきである。認識されるように、各ウェッジ１５０ の後側壁１５４ は各ウェッジ１５０ の前側壁１６６ と同様に実質上平面である。したがって、凹部１５２ と１６４ は所望の共振空洞８０と結合ポート６４を形成するため隣接ウェッジ１５０ の後側壁１５４ と結合する。
【００７９】
ウェッジ１５０ は所望ならばメッキ（例えば金）されている銅、アルミニウム、真鍮等の種々の導電材料から作られてもよい。代わりに、ウェッジ１５０ は少なくとも共振空洞８０と結合ポート６４が形成される領域において導電性材料でメッキされている幾つかの非導電性の材料から作られてもよい。
【００８０】
ウェッジ１５０ は任意の種々の既知の製造技術を使用して形成されることができる。例えばウェッジ１５０ は正確なミリング機械を使用して機械加工されてもよい。代わりにレーザ切断および／またはミリング装置がウェッジの形成に使用されてもよい。別の方法として、リソグラフ技術が所望のウェッジの形成に使用されてもよい。このようなウェッジの使用は所望されるようにそれぞれの寸法の正確な制御を可能にする。
【００８１】
ウェッジ１５０ の形成後、これらは陽極４２を形成するため適切な順序（即ち偶数番号−奇数番号−偶数番号−奇数番号）で配置される。ウェッジ１５０ は対応するジグによって位置に保持され、はんだ付け、鑞付、または、一体化した装置を形成するためにその他の方法でウェッジが共に結合される。
【００８２】
図１５−図１８の実施形態は、偶数番号／奇数番号の空洞８０が結合ポート６４を有し、奇数番号／偶数番号の空洞８０がこのような結合ポート６４を持たない点でのみ図５の実施形態と類似している。１つおきの空洞８０の共通の共振空洞６６への結合は同じ方法でπモード動作を誘起する。
【００８３】
図１９−図２３は陽極４２の別の実施形態に関する。このような実施形態はウェッジベースの構造である限りでは類似しており、簡単にするために違いのみを説明する。図１９は概略断面図で陽極４２を示している。この特別な実施形態では、各共振空洞８０は、さらにπモード動作を誘起するために、共振空洞８０と１以上の共通の共振空洞６６との間でエネルギを結合するための単一モードの導波体としてそれぞれ作用する結合ポート６４を含んでいる。奇数番号のウェッジ １５０ｂにより形成される結合ポート６４は、適切な位相関係を与えるように、偶数番号のウェッジ １５０ａにより形成される結合ポート６４に関して付加的に１／２λの遅延を誘起する。
【００８４】
図１９は特定の実施形態の奇数番号のウェッジ １５０ｂが、対応する共振空洞８０を形成する凹部１５２ と陽極４２の外部表面６８との間でＨ平面方向の角度で放射状に延在する凹部 １６４ｂをどのように含んでいるかを示している。他方で偶数番号のウェッジ １５０ａは対応する共振空洞８０を形成する凹部１５２ と外部表面６８との間の中心軸に垂直に放射状にそれぞれ延在する１対の凹部 １６４ａをそれぞれ含んでいる。（図１９で示されているように偶数番号のウェッジ１５０ は凹部 １６４ａを明白に図示するためその目的とする方向付けに関してフリップされていることが認識されよう。）
凹部 １６４ｂが奇数番号のウェッジで形成される角度は、凹部 １６４ａと比較して全体的に付加的１／２λ遅延をそれぞれ導入するように選択されている。したがって偶数番号および奇数番号のウェッジ１５０ により形成される共振空洞８０間で結合される放射は共通の共振空洞６６に関して適切な位相関係を有する。
【００８５】
図２２および図２３は図１９の実施形態の奇数番号のウェッジ １５０ｂが上方向と下方向の角度間でどのように交差しているかを示している。これによって、認識されるように、陽極−陰極空間と共通の共振空洞６６（図示せず）内の軸方向に関するエネルギのより多くの分布が可能である。
【００８６】
図２４−図２７は偶数番号のウェッジにより形成された結合ポート６４に関して付加的な１／２λ遅延を導入するように、奇数番号のウェッジにより形成される結合ポート６４のＨ平面湾曲を使用する陽極４２の別の実施形態を示している。偶数番号のウェッジ １５０ａは図１９−図２３の実施形態のウェッジに類似している。しかしながら奇数番号のウェッジ １５０ｂはそれぞれＨ平面に関する角度で示されている１対の凹部 １６４ｂを含んでいる。各凹部 １６４ｂは隣接するウェッジ １５０ａの後側壁１５４ と組合わせて単一モードの導波体を形成するように設計されている。凹部 １６４ｂは偶数番号のウェッジの凹部 １６４ａと比較してそれぞれ付加的に１／２λ遅延を与えるようにＨ平面に沿って湾曲される。したがって、共振空洞８０と１以上の周囲の共通の共振空洞６６（図示せず）との間の所望の位相関係がπモード動作に対して与えられる。さらに、各凹部 １６４ｂは１対の湾曲部１７０ および１７２ を含んでいるので、凹部 １６４ｂにより形成される結合ポート６４は陽極４２の軸方向に沿って均一に分布される。したがってこのような実施形態は２つの異なる奇数番号のウェッジ １５０ｂ１と １５０ｂ２と呼ばれる図１９−図２３の実施形態よりも好ましい。図２４で示されているような偶数番号のウェッジ １５０ａは凹部 １６４ａを明白に図示するためにその目的とする方向付けに関してフリップされていることも認識されよう。
【００８７】
図２８と図２９は陽極４２のウェッジベースの構造のさらに別の実施形態を示している。この実施形態は以下の方法で図１９−図２３の実施形態と異なる。偶数番号のウェッジ １５０ａは２つではなく３つの凹部 １６４ａを含んでいる。奇数番号のウェッジ １５０ｂ１と １５０ｂ２は１つではなく２つの凹部 １６４ｂを含んでいる。認識されるように、それぞれのウェッジ１５０ で形成される凹部１６４ の数は本発明において任意であり特定の数に限定されない。凹部１６４ の数は認識されているように、陽極−陰極空間と共通の共振空洞６６との間の所望の結合量に基づいて選択されることができる。図２８で示されているように偶数番号のウェッジ １５０ａは凹部 １６４ａを明白に図示するためにその目的とする方向付けに関してフリップされていることが再度認識されよう。
【００８８】
図３０−図３３を参照すると、陽極４２のさらに別の実施形態が与えられ、これはπモード動作を誘起するために奇数番号のウェッジ １５０ｂと比較して偶数番号のウェッジ １５０ａにより形成される結合ポート６４において付加的な１／２λの遅延を使用する。しかしながら、この実施形態では付加的な１／２λの遅延は（Ｈ平面湾曲を導入するものと比較して）凹部１６４ の相対的な幅を調節することにより与えられる。特に、各奇数番号のウェッジ １５０ｂは結合ポート６４の役目をする単一モードの導波体を形成するために、隣接ウェッジ １５０ａの後側壁１５４ と結合する１対の凹部 １６４ｂを含んでいる。他方で偶数番号のウェッジ １５０ａは凹部 １６４ｂの幅よりも比較的広い幅１７４ を有する凹部 １６４ａを含んでいる。導波体理論から知られているように、凹部 １６４ａの適切に選択された広い幅１７４ は凹部 １６４ｂと比較して付加的な１／２λ遅延を与えるように選択されてもよい。したがって、奇数番号および偶数番号のウェッジにより形成される結合ポート６４間の所望の位相関係がπモード動作に対して得られる。
【００８９】
図３４−図３８は、πモード動作で所望の付加的な１／２λの遅延を与えるため結合ポート６４のＥ平面における湾曲を使用する陽極４２の１実施形態に関する。図３４に示されているように、陽極４２は間にスペーサ部材（図示せず）が存在しまたは存在しないで重ねて積層されている幾つかの層１８０ から構成されている。層１８０ は積層内で交互の偶数番号の層 １８０ａまたは奇数番号の層 １８０ｂと公称上呼ばれている。偶数番号の層 １８０ａは陽極−陰極空間と１以上の共通の共振空洞６６（図示せず）との間でエネルギを結合するように機能する結合ポート６４を形成する線形導波体を含んでいる。奇数番号の層 １８０ｂは、Ｅ平面で湾曲され、陽極−陰極空間と１以上の共通の共振空洞６６との間でエネルギを結合するように機能する結合ポート６４を形成する導波体を含んでいる。奇数番号の層 １８０ｂの導波体は所望のπモード動作を与えるために偶数番号の層 １８０ａの導波体と比較して付加的な１／２λ遅延を導入するように湾曲される。
【００９０】
図３５および図３６は例示的な偶数番号の層 １８０ａを示している。各層 １８０ａはＮ／２個の誘導素子１８２ からなり、ここでＮは前述の共振空洞８０の所望の数である。ガイド素子１８２ はそれぞれ図３６に示されているようにウェッジの形状で形成されている。ガイド素子１８２ は陽極４２の内部表面５０と外部表面６８を規定する層を形成するため図３５で示されているように並んで配置されている。各ウェッジのチップはそこに共振空洞８０を規定するスロットを含んでいる。さらに、隣接するガイド素子１８２ は図３６で示されているように間に共振空洞８０を形成するように隔てられている。認識されるように、各層１８０ に形成される共振空洞８０は層１８０ が共に積層されるとき整列される。層間のこのような整列を容易にするためガイド素子１８２ に穴またはマーク１８４ が整列して設けられてもよい。
【００９１】
図３６で最良に示されているように、ガイド素子１８２ 間の空間は偶数番号の共振空洞８０と陽極４２の外部表面６８との間の結合ポート６４として役目をする放射状にテーパーを有する導波体を規定している。ガイド素子１８２ の厚さは、結合ポート６４が所望の動作波長λに対応してＨ平面の高さを有するように定められる。同様に、共振空洞８０の寸法と、ガイド素子１８２ の間隔は所望の波長λに対して選択される。
【００９２】
ガイド素子１８２ は共振空洞と結合ポート６４の導電壁を規定するために銅、ポリシリコン等の導電材料から作られている。代わりに、ガイド素子１８２ は少なくとも共振空洞と結合ポート６４の壁を規定する部分を導電メッキした非導電性材料から作られてもよい。
【００９３】
（図３６に部分的に示されている）スペーサ素子１８６ は陽極４２を形成する積層の隣接層１８０ 間で形成されている。スペーサ素子１８６ は層１８０ の結合ポート６４の導電性のＥ平面壁を与えるように少なくとも関連部分では導電性である。スペーサ素子１８６ は陽極４２の内部半径ｒａに等しい内部半径を有する座金形のものであってもよい。
【００９４】
図３７と図３８は例示的な奇数番号の層 １８０ｂを示している。奇数番号の層 １８０ｂは、ガイド素子１８２ が結合ポート６４を形成するテーパーを有する導波体のＥ平面方向で所望の湾曲を与えるように湾曲されている点を除いて偶数番号の層と類似した構造である。湾曲の特定の曲率半径はπモード動作で偶数番号の層 １８０ａの結合ポート６４に関して所望の付加的な１／２λの遅延を与えるように計算される。また、奇数番号の層 １８０ｂ中の結合ポート６４は、偶数番号の層 １８０ａのような偶数番号の共振空洞８０ではなく陽極４２の外部表面６８へ奇数番号の共振空洞８０を結合する役目を行う。
【００９５】
図３４−図３８の実施形態は認識されるように既知のフォトリソグラフ製造方法に特に適している。大型の陽極４２は真直ぐの導波体の層 １８０ａ間に挿入されたＥ平面湾曲部の層 １８０ｂから構成されることができる。層はフォトリソグラフ技術を使用して形成され組立てられてもよい。高い光波長における動作に対しても適切な寸法によって所望の解像度で実現されることができる。ガイド素子１８２ は例えば銅またはポリシリコンから形成されてもよい。結合ポート６４を形成する導波体は所望ならば層１８０ 間に平面化を与えるように適切な誘電体で充填されてもよい。層１８０ 間のスペーサ１８６ は認識されるように銅、ポリシリコン等から形成されてもよい。
【００９６】
別の実施形態では、各層１８０ は陽極の外部表面６８へ向けて放射状に外方向に各共振空洞８０から延在する結合ポート６４と同一である。しかしながらこの場合、奇数番号の共振空洞８０に対応する結合ポート６４の高さは、偶数番号の共振空洞８０に対応する結合ポート６４の高さよりも大きい。高さの差は図３０−図３３の実施形態に関して前述したように幅の差に対応し、πモード動作に対する偶数番号の共振空洞８０の結合ポート６４に関して所望の付加的な１／２λの遅延を発生するために与えられる。
【００９７】
それ故、本発明の光マグネトロンは通常のマグネトロンでは可能ではない周波数で動作するのに適していることが認識されよう。本発明の光マグネトロンは赤外線および可視光領域内および紫外線、ｘ線等のさらに高い周波数の帯域を超える周波数で高効率で高いパワー電磁エネルギを発生できる。その結果として、本発明の光マグネトロンは長距離光通信、商用および産業用の照明、製造等のような種々の応用の光源として機能する。
【００９８】
ある好ましい実施形態に関して本発明を示し説明したが、当業者には明細書を読み理解したときその均等物と変形が可能であることは明白である。例えば、スロットは共振空洞の最も簡単な形態として設けられるが、他の形態の共振空洞が本発明の技術的範囲を逸脱せずに陽極において使用されてもよい。
【００９９】
さらに、πモード動作を行うための好ましい実施形態を詳細に説明したが、他の技術も本発明の技術的範囲内に含まれる。例えば、交差結合がスロット間で行われてもよい。スロット８０は１／２λだけ隔てられ、結合チャンネルは隣接スロット８０間に設けられる。スロットからスロットへの結合チャンネルは３／２λである。別の実施形態では、複数の光共振器は隣接しないスロットが対応する１つの光共振器で単一発振モードに結合することによって逆位相で発振するように制限されている陽極構造の周辺に埋設される。他の手段もここでの説明に基づいて明白であろう。
【０１００】
さらに、πモード発振を制御するために湾曲した表面とＴＥＭモードを使用するここで説明したトロイダル共振器はその他の一般的なマグネトロンで使用されてもよいことが認識されよう。特に、トロイダル共振器に関する本発明の特徴は１００Ｇｈｚよりも下のマイクロ波周波数で動作するような非光学的なマグネトロンのπモード発振を制御するのに使用されてもよい。
【０１０１】
本発明は全てのこのような均等物および変形を含んでおり、特許請求の範囲に記載された技術的範囲によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
光通信システムの一部として本発明による光マグネトロンの使用を示した環境図。
【図２】
本発明の１実施形態にしたがった光マグネトロンの断面図。
【図３】
図２の破線Ｉ−Ｉに沿った光マグネトロンの水平断面図。
【図４】
各陽極が本発明の１実施形態にしたがって共振空洞を含んでいる本発明による陽極の一部分の拡大断面図。
【図５】
本発明の別の実施形態にしたがった光マグネトロンの断面図。
【図６】
本発明のさらに別の実施形態にしたがった光マグネトロンの断面図。
【図７】
本発明の別の実施形態にしたがった光マグネトロンの断面図と、その光マグネトロンの断面の平面図。
【図８】
本発明のマルチ波長の実施形態にしたがった光マグネトロンの断面図。
【図９】
本発明の別の実施形態にしたがった光マグネトロンの断面図。
【図１０】
出力結合を示している陽極の一部分の拡大斜視図。
【図１１】
ＴＥＭ２０モードで動作するように設計された本発明の１実施形態と、ＴＥＭ１０モードで動作するように設計された本発明の１実施形態とを示す概略図。
【図１２】
本発明の１実施形態にしたがって陽極構造を形成するために使用されるステップを示す説明図。
【図１３】
本発明にしたがって陽極構造を形成する別の方法を示す説明図。
【図１４】
本発明にしたがってトロイダル光共振器を形成するために使用されるステップを示す説明図。
【図１５】
本発明のウェッジベースの実施形態によって形成された陽極構造の平面図。
【図１６】
本発明にしたがって図１５の陽極構造を形成するために使用される例示的なウェッジの平面図。
【図１７】
本発明にしたがって図１５の陽極構造を形成するために使用される各偶数番号のウェッジの側面図。
【図１８】
本発明にしたがって図１５の陽極構造を形成するために使用される各奇数番号のウェッジの側面図。
【図１９】
本発明にしたがった陽極構造のＨ平面湾曲の実施形態の概略断面図。
【図２０】
本発明にしたがった図１９の陽極構造の形成に使用される例示的なウェッジの平面図。
【図２１】
本発明にしたがった図１９の陽極構造の形成に使用される偶数番号のウェッジの側面図。
【図２２】
本発明にしたがった図１９の陽極構造の形成に使用される交互の奇数番号のウェッジの側面図。
【図２３】
本発明にしたがった図１９の陽極構造の形成に使用される交互の奇数番号のウェッジの側面図。
【図２４】
本発明にしたがった陽極構造の別のＨ平面湾曲の実施形態の概略断面図。
【図２５】
本発明にしたがった図２４の陽極構造の形成に使用される例示的なウェッジの平面図。
【図２６】
本発明にしたがった図２４の陽極構造の形成に使用される偶数番号のウェッジの側面図。
【図２７】
本発明にしたがった図２４の陽極構造の形成に使用される奇数番号のウェッジの側面図。
【図２８】
本発明にしたがった陽極構造の別のＨ面湾曲の実施形態の概略断面図。
【図２９】
図２８の陽極構造の形成に使用される１つおきの奇数番号のウェッジの側面図。
【図３０】
本発明にしたがった陽極構造の分散ベースの実施形態の概略断面図。
【図３１】
本発明にしたがった図３０の陽極構造の形成に使用される例示的なウェッジの平面図。
【図３２】
本発明にしたがった図３０の陽極構造の形成に使用される偶数番号と奇数番号のウェッジの側面図。
【図３３】
本発明にしたがった図３０の陽極構造の形成に使用される偶数番号と奇数番号のウェッジの側面図。
【図３４】
本発明にしたがった陽極構造のＥ平面湾曲の実施形態の側面図。
【図３５】
本発明にしたがった図３４の陽極構造の形成に使用される線形のＥ面層の上面図。
【図３６】
本発明にしたがった図３５の線形のＥ平面層の一部分の拡大図。
【図３７】
本発明にしたがった図３４の陽極構造の形成に使用される湾曲したＥ平面層の平面図。
【図３８】
図３７の湾曲したＥ面層の一部分の拡大図。
【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１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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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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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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